利用微生物修复混凝土构件裂缝的方法

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

利用微生物修复混凝土构件裂缝的方法

廖 立

(重庆交通大学 土木工程学院， 重庆 400074)

利用微生物诱导产生的碳酸钙修复混凝土构件的裂缝。,基于这种思路，提出一种可能途径：在混凝土构件表面种植能诱导产生碳酸钙的细菌或真菌，利用产生的碳酸钙修复混凝土构件的裂缝。

混凝土；裂缝；微生物；碳酸钙；修复

1 概述

混凝土是当前用量最大的建筑材料之一。混凝土广泛应用在城市建设、水利、工业与民用建筑、交通及海港、农林等工程中。容易产生裂缝是混凝土构件的最大缺点。由于长期以来混凝土的开裂造成巨大的社会经济损失，因此许多科研机构对裂缝的成因和规律，进行了大量的技术探究。并提出了大量关于解决混凝土裂缝的有效办法和宝贵意见，也取得了可喜的科研成果。目前混凝土开裂是工程建设常见的技术难题。混凝土裂缝的展开导致结构物的承载力功能和使用功能下降。如桥梁工程中桥墩出现裂缝，水中的氯离子进入裂缝，腐蚀钢筋，使桥墩承载力降低。因此，各类规范中都规定了混凝土裂缝的限值，以保证建筑物的安全性能和舒适感。但是，从近代科学和工程实践对混凝土裂缝成因和发展规律的研究和大量的混凝土工程实践表明无法完全克服混凝土中出现裂缝。混凝土在受到外力和温度、变形的作用下，都可能出现裂缝。本文对裂缝的种类和原因进行阐述并提出了一种解决混凝土开裂后修复的可能途径。或许能对混凝土裂缝治理起到一定作用。

2 混凝土裂缝的种类

2.1 按裂缝产生原因分类

(1)由动、静荷载直接作用下结构内部产生应力引起的裂缝和次应力引起的裂缝。国内外调查资料均表明，工程结构由荷载引起的裂缝约占20%，由变形引起的裂缝约占80%；

(2)由变形引起的裂缝：结构在温度、湿度、缩胀、不均匀沉降这些非荷载作用下产生裂缝。主要特性是要求结构有变形。当结构受到约束时超静定结构内部会产生内应力。当应力超过一定数值后裂缝便产生了。裂缝出现后结构变形需求得到满足，内应力释放。这种裂缝主要特征是宽度大、内应力小，对承载力的影响小，但对结构耐久性有较大损害。

2.2 按裂缝所处的状态分类

裂缝包括闭合、愈合、稳定、不稳定、运动、等状态。其中对于运动和不稳定扩展状态的裂缝，宜采用加固措施。而对于稳定、闭合、愈合的裂缝无需采取措施。例如部分防水结构物，在0.1MPa水压下，当出现1mm～0.2mm裂缝时，结构可能开始有轻微渗漏，但经过一段时间，在裂缝处水泥析出Ca(OH)2，使裂缝逐渐弥合，再与大气中CO2作用，并形成CaCO3结晶。封闭和自愈合裂缝，阻止了渗漏的产生，这种裂缝是相对稳定的，因此不会对工程结构的承载力功和耐久性产生较大影响。

3 利用微生物修复混凝土构件裂缝

利用特殊微生物诱导产生的碳酸钙修复混凝土裂缝技术是一种交叉学科的先进技术，其原理是利用特殊细菌诱导产生碳酸钙沉积以修复混凝土构件中的裂缝：存在一些特殊细菌可以利用分解铵盐，产生的氨溶于水会微生物周围OH-浓度升高，使CaCO3沉积。在诱导产生CaCO3沉积的过程中，细菌为的CaCO3沉积提供空间位置。1973年，Boquet[1]发现土壤中有些细菌能够诱导碳酸钙沉积，此后，利用特殊细菌分解矿物并诱导生成新的矿物的理论得到了关注和发展。Kwadha[2]等对不同因素对细菌体内矿物降解的相关霉活性影响进行了研究。最后得出结论：氯离子浓度，PH值等因素发生变化时，矿物降解酶的活性也会变化，而酶的活性直接影响铵盐的降解，最终导致微生物周围PH值发生变化，影响碳酸钙水解平衡浓度。通过研究最后得到了碳酸钙沉积的最优参数。细菌的矿物沉积能力最优温度值是32℃。Ramakrishnan[3]等研究了利用细菌产生碳酸钙修复的混凝土构件和修复前的同等构件强度和耐久性，最后，发现前者前度和耐久性均有明显提高。构件在抵抗酸、碱、冻融循环及干缩变形等方面的性均能够提高30%。Tittelboom[4]等研究发现修复利用细菌产生的矿物沉积来修复混凝土构件后，其强度和耐久性得到很大改善。程晓辉等[5]进行了利用微生物修复墙体裂缝的试验。实验表明微生物在低温环境下修复墙体裂缝有明显效果，另外在实验室内成功地利用含流动的微生物灌浆液封堵一个漏水小孔。李沛豪等[6]成功利用微生物修复技术修复了石质文物。

利用微生物诱导沉积碳酸钙相关技术已有了初级的理论研究，并在混凝土裂缝修复方面进行了成功的应用。利用该技术对混凝土裂缝修复是十分具有可行性的。但目前相关研究还较少。还达不到工程应用和推广阶段。关于在混凝土构件表面种植具有诱导碳酸钙沉积的微生物以修复裂缝的技术应用前景非常广阔，因此需要不断探索实践。

4 结论

在混凝土表面种植微生物比较容易实现，目前已经找到了可以诱导产生碳酸钙的细菌，将该生物种植在混凝土表面并满足其生长环境，一旦混凝土开裂，细菌能足够多的进入裂缝繁殖并诱导产生碳酸钙。产生的碳酸钙可以有效修复混凝土构件表面的裂缝。

5 结束语

混凝土裂缝的修复一直是个难题，除了从传统手段出发，我们应该着眼于交叉学科研究，从生物，化学等其他学科中寻求新方法，利用微生物修复混凝土裂缝具有很重要启示。相信随着学科研究的深入，会与其他学科产生更多交叉，也会产生更多新的修复混凝土裂缝的方法。

[1] BOQUETE, BORONAT A, RAMOS-CORMENZANA A. Production of calcite(calcium carbonate)crystals by soil bacteria is a common phenomenon[J]. Nature.1973,246:527-529.

[2] OKWADHA G D, LI Jin. Optimum conditions for microbialcarbonateprecipitation[J]. Chemosphere,2010,81(9):1143-1148.

[3] DAY J L, RAMAKRISHNAN V, BANG S S. Microbiologically induced sealant for concrete crack remediation[C]. Proceedings ofthe 16th Engineering Mechanics Conference. Seattle:[s.n.],2003:1-8.

[4]TITTELBOOM K V, BELLE N D, MUYNCK W D, eta1. usof bacteria repair cracks in concrete[J]. Cement and Concrete Research,2010,40(1):157-166.

[5] 李沛豪,屈文俊.细菌诱导碳酸钙矿化材料及其应用前景[J].建筑材料学报,2009,12(4):482—486.

[6]王瑞兴,钱春香.微生物沉积碳酸钙修复水泥基材料表面缺陷[J].硅酸盐学报,2008,36(4):457—464.

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