混凝土微生物自愈合技术研究进展

韩宪伟 战美秋 韩立彬 李东阳 侯永胜

吉林建筑大学土木工程学院（130118）

0 引言

混凝土是目前用量最大、用途最广的建筑工程材料。混凝土结构裂缝或微裂缝的存在一般不会直接影响混凝土结构的承载力，但氯离子、硫酸盐等侵入会降低混凝土结构的耐久性，耗费巨大的维护成本。采用灌浆法、表面处理法等传统方法修复混凝土内部损伤的效果有局限性，一些化学修复剂的使用可能达不到环境友好等要求。

混凝土的微生物自愈合技术具有绿色、环保的特点，其主要是通过储存在混凝土中的微生物的自身代谢产生矿物化合物，矿物化合物主要是由微生物分解生成的碳酸根离子与金属阳离子结合生成，其胶结作用能够修复由于荷载或温度等环境因素引起的裂缝，进而达到维护混凝土结构的目的。20世纪90年代，Gollapudi等发现巴氏芽孢杆菌与砂混合后能够有效填充砂子的空隙；2007年，Jonkers正式提出利用微生物技术修复混凝土的概念。文章综述近年来关于混凝土微生物自愈合技术的研究进展，论述了微生物自愈合技术存在的问题，并对未来的研究方向进行了讨论和展望。

1 混凝土微生物自愈合原理

微生物矿化是微生物诱导矿物沉淀修复混凝土裂缝的理论基础。根据微生物对成矿调控程度的不同，微生物矿化作用可分为微生物诱导矿化和微生物控制矿化两种类型，目前的研究方向主要侧重于微生物诱导矿化过程。通过微生物自养方式诱导碳酸钙沉淀是利用气态或者溶解的CO2作为碳源产生沉淀，实际工程中开发了多种微生物共同协作的愈合手段，目前研究的主要方向包括微生物的脲酶催化作用、有机酸转化作用和反硝化作用。由于有机酸转化型反应过程中释放氨气和氮氧化合物，对人体与环境造成不同程度的影响，因而乳酸钙、葡萄糖酸钠等非脲解型的多种有机碳源为主要研究方向。其中以乳酸钙为有机碳源诱导碳酸钙沉淀的反应式为：

2 影响微生物自愈合效果的因素

1）微生物的浓度、种类、状态及愈合产物与混凝土基体是否具备良好的相容性，都不同程度地对微生物自愈合效果产生影响。如混凝土的暴露环境湿度、温度，微生物的耐碱性等。微生物反应试验研究表明：多数微生物在合适条件下均能修复宽度在300μm以上的裂缝。

2）保护载体对营养物质、碳源、钙源的保护效果也是影响愈合效果的重要因素。保护载体在混凝土拌和过程中分散于混凝土基体中，当保护载体因混凝土损伤或开裂而开裂后，微生物愈合剂被释放出来，释放的微生物愈合剂因与周围环境发生反应而实现自愈合目的。目前，关于保护载体的开发使用，国内外研究人员采用多种微生物保护载体进行了大量研究，主要包括无机多孔型、多孔轻骨料型、微胶囊型、微生物自体保护型和纳米材料型。Bang等利用多孔玻璃珠作为保护载体，发现经保护载体处理的愈合剂可以在更高pH值(pH=8.1)下产生矿物沉淀；Wiktor等采用膨胀黏土颗粒作为微生物保护载体，通过真空浸渍法将愈合剂封装于轻骨料中，试件混凝土凝结硬化数月后，由膨胀黏土颗粒保护的微生物仍具备活性；Zhong等将细菌、营养物和砂等填充料压实填入花岗岩裂缝，裂缝修复后抗压强度大大提高；还有部分学者将部分微生物负压真空充填到开口膨胀珍珠岩内部，采用表面涂覆水玻璃进行封闭的方法储存微生物。

3）混凝土基体本身的pH值及拌合过程中的机械作用力等对自愈合效果的影响也较大。经测试，基于耐碱微生物的特性，嗜碱性芽孢杆菌可以直接投入到混凝土中作为自愈合剂，达到修复裂缝的目的；国内部分学者采用大掺量粉煤灰混凝土作为胶凝基体以降低混凝土基体的碱性；Wang等利用三聚氰胺基对微生物愈合剂进行封装，微胶囊自身的弹性可有效释放混凝土拌合时的机械作用力，保护内部微生物。

3 结语与展望

混凝土自愈合技术在房屋基础工程、桥梁工程、路桥工程、地下工程等方面具有较大应用价值，具有环保、可持续性的特点。近年来，国内外对微生物自愈合混凝土进行了大量的研究，取得了较大的进展，但仍有一些问题需要进一步研究，如微生物死亡后在混凝土内部留下的孔隙会导致自愈合能力与强度的下降，统一的自愈合能力评价指标缺乏，保护载体加工工艺等应用技术还有待研究等。