微生物裂缝修复技术用于注浆堵水初探

(重庆交通大学　重庆　400000)

前言

随着基础设施使用年限的增加，桥梁、和公路这些基础设施会出现各种各样的问题。而其根本原因在于修建这些设施所用的最广泛建筑材料混凝土的先天缺陷，限制了这些基础设施的使用年限。特别是在、地下车库等等这类地下设施中，混凝土的裂缝往往还伴随着渗水。如若置之不理，长期的渗水，不仅会对混凝土里的钢筋产生锈蚀，还会侵蚀混凝土材料的强度，使地下结构物处于一种十分危险的受力情况当中，威胁到使用者的人身财产安全。

一、注浆加固

对于二衬及地下结构渗漏水的情况，能采取的措施通常有以下三个方向：(1)拆除渗漏水段的构筑物，对其进行重新浇筑，但是这种方法通常面临的情况是重新浇筑构筑物耗资巨大，且从新构筑物浇筑后无法保证是否还会继续漏水；(2)在渗漏水的裂缝口，涂刷防水材料，封堵住裂缝，阻止水的渗漏，不过涂刷防水材料，只能对裂缝的表面进行封堵，无法对已经产生的裂缝进行修复加固处理；(3)采取注浆加固的方法，将注浆材料通过注浆机，以一定压力注入裂缝，注浆材料凝固后便能形成堵水加固的效果。注浆加固以其经济性和堵水加固的良好效果，得到了广泛的应用。

二、注浆材料的发展

注浆材料的发展经历几代变化，从一开始的以粘土为主的注浆材料，到水泥发明后以水泥为主的注浆材料，再到工程师们发现普通建筑水泥无法注入微小裂缝，进而发明了以化学浆液为主的注浆材料。化学浆液因其优异的可注性、可控制凝固时间，高分子化学注浆材料得到了的不断发展，然而到日本福冈采用丙烯酰胺类注浆材料进行加固堵漏时引起中毒事件后，各国开始严禁生产有毒的化学注浆材料，自此化学注浆材料的发展受到严重影响。然后从70年代以超细水泥为主的注浆材料的发展，到现在的以各类有机材料为主的注浆材料，如环氧树脂、聚氨酯等，注浆材料总是时代的变化而变化。从注浆材料的发展史可以发现，注浆材料从一开始的只能注浆到现在不仅能实现堵水还能加固结构，要求环保对人体无害等等，对注浆材料的功能性要求加强了。

三、微生物诱导碳酸钙沉淀机理

微生物沉积碳酸钙修复混凝土的技术是最经几年研究大热的课题，本文正是对比探讨该技术的特点，以期探究利用该技术即将微生物及其营养液作为注浆材料，用以修复二衬裂缝。

从生物化学角度上来说，微生物诱导生成碳酸钙的机理是其在新陈代谢过程中产生了脲酶，脲酶高效的催化尿素水解，使得环境液中的ph值升高，提供了沉淀所需的碳酸根离子，同时营养液中提供相应的钙离子，脲酶的存在使得碳酸钙沉淀的速度得以加快，达到工程上可以利用的程度。

在脲酶的催化作用下环境液内的尿素迅速分解为氨和氨基甲酸，氨基甲酸分解为氨和碳酸，氨与碳酸作用产生铵根、碳酸根、氢氧根离子，由于微生物细胞壁带有负电荷会使得大量的钙离子聚集在细胞壁，碳酸根离子便与钙离子在微生物细胞壁上发生反应生成碳酸钙。整个过程的反应如可用下式表示：

四、分析比较

注浆材料要求浆液的粘度低、流动性好，能进入细小空隙。从注浆浆液的可注性这点上来说，以微生物菌液及其营养液为注浆材料具有非常好的可注性。注浆用的菌种通常为巴氏芽孢杆菌，其直径约为0.5-1.5微米，整体粒径较细且均匀，可以注入微小的裂缝。营养液为氯化钙和尿素的混合溶液，只要是发生渗漏水的地方，营养液都能进入。也就是说，当裂缝不止一条时，即使没有发现裂缝，以微生物及其营养液为注浆材料也可以通过其优良的可注性到达病害部位，对渗漏水的地方封堵加固。

碳酸钙作为生物注浆的主要产物，沉积的碳酸钙形成的方解石与混凝土材料的结合性较好，碳酸钙与混凝土主要成分类似，其物理性质相近，对于各种荷载发生的应力应变相近，修复后与混凝土的变形一致，裂缝不容易再次开裂。

相比于有机注浆材料，如环氧树脂，聚氨酯等，以微生物及其营养液作为注浆材料有明显耐久性优势。有机材料在一开始注浆堵水效果很好，像环氧树脂类的还能提供相当的强度，但是一旦时间久了以后，有机材料容易被生物分解，不仅损失不能有效地封堵加固，还给再次的注浆加固工作造成了阻碍。反观微生物诱导沉淀的碳酸钙，经过多次注浆加固后，能够形成较高的强度，在耐久性上，沉积的碳酸钙，非常致密，不仅有其独特的无机物耐久性，而且微生物处理后的混凝土表面形成的碳酸钙膜，可以降低混凝土的率，降低混凝土的碳化速度。

从原料来源方面来说，现在微生物菌体，一般只能通过实验室制得，尚没有工业化的生产，所以比较昂贵。但是已经有几个团队利用微生物修复混凝土裂缝技术，修复地下工程设施。发现利用微生物修复混凝土修复的效果非常好，不仅对混凝土结构有效地封堵加固，而且十分环保。但是目前没有人将微生物修复裂缝技术应用于二衬裂缝中。

五、结论

综上所述，以微生物菌液及其营养液为注浆材料，是符合注浆材料的特性的。该浆液在可注性上具有低粘度、流动性好，能够进入微小裂缝；施工方面，该注浆材料的气味在于尿素本身及脲酶分解尿素后产生的氨气等气味；环境保护上来说，微生物菌体是广泛存在于自然界中的，对人体、对地层、对混凝土结构都是无害无腐蚀作用的；从加固效果上来说，微生物诱导沉积的碳酸钙最终形成的方解石，与混凝土材料本身性质相近，具有较高的抗压抗折强度，能有效地封堵加固裂缝，在自身具有良好耐久性的同时，提高注浆加固处混凝土的耐久性。