微生物自修复混凝土的研究进展

郑雨丰 何亮 凌天清

摘要：混凝土在温度和外荷载的作用下会产生裂缝，可通过在混凝土中掺入固载的微生物以达到修复微裂缝的目的。文章介紹了微生物自修复混凝土的工作机理，总结了在微生物的选择和载体的选择两个方面近期的研究进展，评价了修复效果，并分析了影响微生物矿化的因素，提出了未来可能的研究方向。

关键词：混凝土;自修复;微生物矿化

中图分类号：U416.216 文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2019.10.001

文章编号：1673-4874（2019）10-0001-03

引言

混凝土在现代的土木工程中被广泛应用，其在水化过程中无可避免地会形成初始的微观裂缝。微观裂缝虽然暂时不会对结构产生危害，但是经过长期的温度和外荷载作用，微裂缝会逐渐地扩展成我们肉眼所能看到的宏观裂缝。宏观裂缝不仅会给结构带来隐患，还会降低结构的耐久性，而微生物自修复混凝土能有效地弥补微裂缝。

本文介绍了微生物自修复混凝土的工作原理，通过近期国内外学者所做的研究，分析了影响微生物自修复的因素，评价了微生物自修复混凝土的修复效果，并提出了未来可能的研究方向。

1微生物自修复混凝土了作原理

微生物自修复混凝土是将细菌营养体、休眠芽孢、微生物体及其所需的代谢营养物质用具有相容性的材料包覆起来，再均匀地掺到混凝土中。当微裂缝形成时，载体随之破裂，休眠芽孢被激活，微生物开始矿化沉积;当裂缝被弥补时，芽孢会再次进入休眠状态。

微生物的矿化方式可以分为厌氧菌的酶代谢作用和好氧菌的呼吸作用两种。厌氧菌主要是通过尿素酶水解尿素制造氨气NH₃和二氧化碳CO₂;好氧菌通过有氧呼吸产生二氧化碳，CO₂与溶液中的Ca²⁺￥生成碳酸钙CaCO₃。矿化机理又分为微生物控制矿化和微生物诱导矿化两种，目前多采用第二种。国内钱春香课题组对矿化机理进行实验，研究表明矿化产物就是CaCO₃，整个矿化过程需要氧气参与，CaCO₃是通过细菌代谢产生的CO₂与底物中的Ca²⁺反应生成的。

2微生物的选择

基于混凝土内的高碱性环境，应选择生命力强的嗜碱细菌，保证其在混凝土内部的恶劣环境中能长期储存。

目前，许多学者都采用嗜碱芽孢杆菌进行了大量的实验。Jonkers等把芽孢杆菌和乳酸钙组成的双组分生物化学剂作为修复剂进行实验，发现这种新型生物化学自愈剂在潮湿环境下对提高混凝土结构耐久性方面的影响尤其显著。李珠等用科氏芽孢杆菌（好氧型）作为微生物修复剂，将其掺入到混凝土中，在水中养护28d后发现最大修复宽度达到0.56mm。罗国春将包覆科氏芽孢杆菌的生物微胶囊掺入混凝土中测试其修复率。Bang等用巴氏芽孢杆菌（厌氧型）为芯材，聚亚安酯泡沫为载体进行实验。这些大量的研究表明：嗜碱芽孢杆菌作为自修复剂是不错的选择，其中厌氧茵产生的氨气会对环境造成影响，所以好氧茵的使用可能更为广泛。

由于不同种类微生物的代谢和生存能力各有差异，因此学者们的研究不止局限于芽孢杆菌的运用。钱春香课题组采用琼脂为载体，芯材为碳酸酐酶微生物和所需营养物质进行实验，该种微生物可以生产碳酸酐酶，碳酸酐酶能提高CO₂可逆水合反应，加快HCO₃生成，从而加快矿化沉积的速度。Jing Luo等选用六种真菌作为修复剂分别进行实验，研究结果表明T.reesei（ATCC13631）在可持续性基础设施的生物基础自愈混凝土中具有巨大的潜力，该真菌取自于植物病原体，对人类无害，且生命力比细菌强，产生的沉淀晶体经验证为由方解石（CaCO₃）组成。

随着微生物自修复技术的研究不断深入，活性更高、寿命更长的微生物渐渐进入研究者们的视野，寻找更好的微生物修复剂也正是当下学者们的研究方向之一。

3载体的选择

目前，研究者们一般选用微胶囊作为载体，也有其他学者以多孔材料为载体。载体主要的作用是保护微生物修复剂，避免芽孢与外界接触而过早萌发，保证微生物修复剂的活性。载体应该具有较好的相容性、机械性、化学稳定性。

微胶囊作为载体最为普遍，其中多数学者以环氧树脂作为壁材。程文凤将H4芽孢杆菌分别用乙基纤维素微胶囊（EC）和环氧树脂防水型微胶囊（EP）包裹，通过实验证实环氧树脂的防水性能更加完美，而EC为囊壁材料会让水提前渗入胶囊内，这将导致芽孢提前萌发。罗园春以环氧E-51为壁材，科氏芽孢杆菌为芯材，用油相悬浮分散法制备防水型微胶囊。

学者们对其他类载体也有研究。徐晶等以多孔陶粒为载体，微生物及其所需的营养物质为芯材掺入到混凝土中，实验表明陶粒体积分数为37.8%时可作为最佳掺量。Jonkers等分别对硅胶和聚氨酯为细菌载体进行对比研究，结果表明，聚氨酯作为载体具有更大的潜力。王瑞兴等通过琼脂固载菌株，使用“被动愈合”的方式在水泥混凝土表面涂刷3d后，发现表面出现一层0.1mm厚度的方解石层。徐晶等用硫铝酸钙水泥和20%含量的硅灰研制了一种细菌保护载体，结果表明，硫铝酸钙水泥所制备的载体材料与混凝土具有良好的相容性，硅灰的添加降低了硫铝酸钙水泥材料的pH值，该载体优化了与混凝土基体的相容性，同时仍然能保证细菌在混凝土内长期存活。

从上述的研究可以看出，研究者们基于载体所应满足的性质，对载体进行改良甚至创新，比如寻找更好的载体材料来改善载体的相容性，或是探索机械性更好的材料以减少混凝土在振捣过程中所导致的微生物载体损伤。

4 影响微生物矿化的因素9A6913FA-FC8B-4A2A-B846-84731FD4E6E4

4.1营养物质

研究者们在营养物质的选择上除了选择酵母粉、蛋白胨、谷氨酸盐、乳酸钙等作为微生物矿化所需的基本营养成分外，还会选尿素作为反应底物，并添加氯化钙来沉积碳酸钙。

冯涛等研究了乳酸钙掺量对科氏芽孢杆菌修复能力的影响，实验表明，养护28d后，发现乳酸钙掺量对修复效果影响较大，随着乳酸钙掺量的增大导致修复能力先增加后慢慢趋于平缓。袁晓露采用茵液浸泡法进行实验，实验结果表明，当尿素浓度在一定范围内时，随着尿素浓度的增加，矿化效率会越高。当菌种选定后，就要为微生物配上合适的营养物质，通过实验研究确定各营养物质的含量。

4.2PH值

厭氧茵的酶代谢作用就是尿素酶水解尿素产生氨气和二氧化碳，氨气的产生增加了周围溶液的pH值，这导致不溶性碳酸钙的沉淀。王瑞兴等研究表明，因pH值的大小不同，所沉淀形成的晶体形貌也有所不同，但是尺寸大小改变不大。

pH值还会影响到细菌芽孢的萌发，芽孢的萌发将会间接影响到微生物的矿化。程文凤在不同的pH值下测试H4芽孢的萌发率，结果表明，当pH值为10时，萌发率达到最大值。图1表明了不同pH值下芽孢萌发率的大小。

4.3 其他影响因素

微生物的矿化机制是比较复杂的，除了营养物质和pH值会对矿化造成影响外，菌种的选择、温度、氧气的浓度、微生物浓度、液态水等都会对矿化有所影响。

5微生物自修复效果

微生物自修复混凝土的提出主要是为了弥补微裂缝，以达到提高结构耐久性的目的。强度指标主要有强度恢复率、抗压强度等;耐久性指标主要有气密性和抗渗性等;还可以用修复的裂缝宽度来评价修复效果。

微生物自修复混凝土的修复宽度能表征其修复能力。钱春香等利用微生物矿化沉积的碳酸钙来弥补裂缝，结果表明，修复40d后，混凝土裂缝深度在10mm以上时，未发现碳酸钙沉淀，而碳酸钙主要出现在裂缝表面下1.5turn内，超过1.5mm时由于距表层较远，导致氧气不足，形成的碳酸钙就越少。宽度为0.5mm以下的裂缝容易被修复，0.5-0.8mm宽度的裂缝较难完全修复，能修复的最大裂缝宽度≤1mm。由于微生物矿化速率慢的缘故，导致裂缝宽度>1mm的裂缝很难被修复。

强度恢复率是评价自修复的重要指标。徐晶等通过陶粒固载微生物，开裂破坏的试件通过28d的自修复养护，经测试发现其抗压强度恢复率达63%。强度恢复率不太高的原因可能是生成的碳酸钙无法深入裂缝深处，而是基本出现在深度<1.5mm的位置，且碳酸钙沉淀与周围的基体粘结强度低。

抗压强度表征了混凝土的抗压性能。罗园春将内含微生物修复剂的微胶囊掺入混凝土进行抗压强度测试，发现抗压强度受到影响，相比普通混凝土，其抗压强度减小，混凝土试件越大影响会相对减小。徐晶等用硫铝酸钙水泥和20%的硅灰制作的新型封装材料用来包覆微生物修复剂，将其掺入到混凝土中进行抗压强度检测，发现抗压强度较普通混凝土无明显变化。因此抗压强度降低的原因可能是载体与混凝土基体的相容性所导致的。

6 结语

微生物自修复混凝土目前仍处于实验研究阶段，微生物修复技术还有不成熟的地方。

在菌种的选择方面，有些学者更提倡使用好氧菌，因为厌氧菌酶代谢产生的氨气会对环境有影响，好氧菌会更加环保。除了细菌可以作为生物修复剂外，有学者采用真菌作为生物修复剂，真菌的优势在于生命力更顽强。因此，探索寻找更好的微生物以及寻找低经济的营养底物是菌种选择方面可能的研究方向。

在载体的选择方面，载体应满足相容性、机械性、化学稳定性、防水性的要求。由于载体的掺入，导致混凝土某些性能有所下降，比如强度等。因此，寻找各方面性能都良好的载体是未来可能的研究方向。9A6913FA-FC8B-4A2A-B846-84731FD4E6E4