混凝土结构裂缝修复技术研究进展

田曼丽 王杰 史翠平

摘要：利用微生物诱导碳酸钙沉积技术可修复石材和水泥基材料裂缝或在其表面形成一层碳酸钙保护膜，从而改善其强度和耐久性。其反应产物即修復材料最终为碳酸钙晶体，改善了其力学性能和耐久性能，并与材料基体有着较好的相容性，操作简便，成本低廉，因此该技术为混凝土结构材料裂缝修复开辟了新途径。

关键词：微生物，裂缝修复，混凝土

前言

在石油开采、运输、存储等过程中会产生大量的微生物，地下环境中的微生物会对油气渗流及岩体产生一定的影响。微生物在生长、代谢、繁殖的过程中会引起设备管线腐蚀、管道堵塞等问题;另外，微生物会螯合矿物离子导致矿物沉积，从而堵塞周围岩土的孔隙，引起裂隙岩土渗透性发生改变。

目前对于微生物引起的岩土裂隙填充现象，国内外已有不少研究，但大部分主要集中在微生物对岩土性能改良、历史文物加固保护等方面。对于混凝土而言，自其面世以来，以其抗压强度高、防火性好。在混凝土制作、养护和使用的过程中难免会产生一些裂缝，这不仅影响其外观，而且还可能引起构件抗渗性降低、钢筋锈蚀，加速碳化等，从而影响其使用寿命。学者受微生物成岩现象的启发，提出了利用微生物诱导矿物沉积修复混凝土裂缝的方法，目前也已取得了较为可观的成果。

1.微生物的裂缝修复功能

近年来，受生物成岩现象的启发，油层周围的岩土的裂缝能够被微生物修复的现象得到了确认，从而增强了石油开采过程中油层结构的完整性。微生物的这种黏结作用即使在微生物死亡后很长的时间里仍能在大自然中发挥作用。

石油工程、地质工程和土木工程领域的科研人员注意到了微生物的这种选择性的黏结作用并着手研究这些成岩微生物是否能够应用于天然或人造结构的裂缝修复。Navarro 等[1]对已发生劣化的石灰石装饰表面的裂缝采用微生物修复并取得了良好的效果，Bang 等[2][3]研究了微生物对水泥基材料表面裂缝修复的功效，Gollapudi 等[4]研究了微生物对隧道表面裂缝的修复功效。近年来，许多学者对微生物诱导的碳酸钙沉积技术在诸多领域的应用进行了探索，例如应用于重大文物古建筑挽救修复、地基土的加固、改善土建基础设施安全与耐久性等诸多领域。

2. 微生物对混凝土裂缝的修复

微生物对混凝土裂缝的修复的想法，最早是由 Gollapudi 等[3]于 1995 年提出，该想法基于微生物矿化机理，认为微生物具有潜在的裂缝自修复能力。他们利用微生物对裂缝进行了表面封堵，通过掺加硅灰等矿物质，以缓解水泥基材料中的高碱度，为微生物生命活动环境营造了酸碱保障，最终取得了良好的效果。由此为混凝土裂缝的修复开辟了一条新的途径，受到国内外学者的广泛关注。Bang 等[3]利用厌氧的巴氏芽孢杆菌进行了系统的研究，认为处于尿素-氯化钙培养液中带负电荷的菌体细胞壁能够螯合钙离子，尿素通过酶的一系列新陈代 谢反应最终水解成氨和二氧化碳，伴随着碳酸盐平衡的转变（CO2 到 HCO3-和 CO32-），致使局部碳酸根离子浓度增大，从而又进一步吸引更多的钙离子，直到晶体前驱体浓度增大到利于核化沉积。混凝土介质中的钙离子与碳酸根离子发生反应，从而在细胞表面形成不溶性的碳酸钙沉积物，使裂缝愈合而达到修复的目的。微生物的作用不仅仅是生成脲酶，而且为碳酸钙的沉积提供了成核位点，并通过SEM和XRD等微观测试得到进一步的证实。另外，一些好氧菌或兼性菌所进行的新陈代谢呼吸作用也可以诱导产生碳酸钙沉积。Jonkers 等利用好氧型的假坚强芽孢杆菌（B. pseudofrmus）和科氏芽孢杆菌（B. cohnii）对水泥净浆进行了对比研究，发现在净浆碎块表面沉积了大量的矿物晶体，经环境扫描电镜分析发现，绝大部分为方解石晶体，从而证明了微生物的代谢作用可有效的将有机化合物转化为碳酸钙。此外，他还对巴氏芽孢杆菌、绿脓杆菌和耐盐芽孢杆菌进行了研究。国内也有许多研究。钱春香课题组[5][6]在利用微生物诱导矿物沉淀来修复混凝土方面做了很多工作，他们利用菌株 A 和碳酸盐矿化菌生长繁殖过程中产生的酶化作用生成 CO32-适时引入 Ca2+形成碳酸钙，改善了水泥石的渗透性;另外，他们还利用微生物诱导碳酸钙沉积技术修复了具有缺陷的水泥基材料表面，并对表面生成物进行了分析研究。他们首先利用分离技术得到了高浓度细菌，并将得到的高浓度细菌涂刷在了具有表面缺陷的水泥基材料水平表面层，最后测得在水平顶层生成了大约 100μm 厚的沉积物膜层，并在表面沉积物的作用下构件的吸水率降低了 85%左右，但是采用相同方法来修复水泥基材料侧表面时，结果发现沉积物的膜层厚度只有 40μm 左右，在提高抗渗性方面明显低于作用在顶层的效果;同时他们对微生物修复后的裂缝进行强度检测，将分离得到的高浓度细菌和营养盐（尿素、硝酸钙）、琼脂载体、砂子混合搅拌成浆体，之后将拌合好的浆体灌入到宽 3mm、深 20mm 的裂缝中，并定期向裂缝中灌注营养盐。试验结果显示：填充在裂缝中的砂子被微生物作用产生的沉积物粘结成了整体，并牢固镶嵌在裂缝中，裂缝修复后的 28d 抗压强度相比未修复裂缝增强了 76%，修复后裂缝的抗拉强度提高至母体强度的 84%。李沛豪等[7]利用芽孢八叠球菌研究其对混凝土裂缝的沉积修复。结果表明该细菌可以诱导碳酸钙晶体在混凝土表层及裂缝中沉积并与基层形成有效黏结，有效地减小了混凝土碳化速度系数，并得知钙源会影响碳酸钙沉积晶相类型，培养基中的 Ca2+ 浓度也会对晶体沉积的生长尺寸、生长形貌等产生影响，但对混凝土的防护效果无影响。

3.微生物修复裂缝对构件耐久性的影响

中科院新疆生态地理研究所 Achal 等[8]人的试验证明，掺入球形芽孢杆菌的混凝土 28d 强度最多可以提高 36%，而且其吸水率可以变为普通混凝土的 1/6，推测试件强度提升的原因是内部的孔隙被生成的碳酸钙结晶填充。微生物矿化沉积产物不仅填充了裂缝，还能在一定程度上堵塞裂缝周边的孔隙，使得孔隙率下降，由此可预见材料的耐久性将得到不同程度的提高，几乎所有的研究结果都证实了这一点。Ramakrishnan 等人[9]利用巴氏芽孢八叠球菌在混凝土表面覆盖碳酸钙层，并对比分析修复前后材料的耐久性，结果证实：由于微生物诱导作用的沉积物覆盖于构件表面，使构件的抗渗能力大幅度提高，而且经微生物修复其抗碱、抗酸能力得到显著提高、冻融和干缩变形的抵抗性能也得到显著改善，并且菌液的浓度越高，效果越明显。当采用磷酸盐缓冲液作为养护液时，取得了更好的效果。他们通过 SEM 和 XRD 分析得知，生成物的主要成分是方解石。

De + 等[10]对利用微生物沉积技术对构件进行表面处理后进行了耐久性分析。他们采用三种水灰比不同的构件，放在同一特定浓度微生物的培养基中浸泡相同的时间（24h），然后分别放在氯化钙、醋酸钙以及不含钙离子的三种溶液中进行浸泡，结果表明，经微生物表面处理后的构件耐久性（毛细吸水率、抗气渗性、抗碳化及氯离子渗透性、抗冻性）明显提高，并且总结出氯化钙和醋酸钙为微生物诱导碳酸钙沉积提供钙离子来源方面的效果基本等同。朱飞龙等[11]利用碾碎的水泥砂浆粉作为覆膜载体，结合 MICP 技术处理水泥砂浆试件，诱导生成的方解石 填充了水泥砂浆内部的孔洞和裂缝，改善了孔结构，吸水系数降低 58%，并且覆膜 7 天后总孔隙率降低 40%，大孔（d>1µm）含量降低 90%。在提出微生物修复混凝土裂缝之前，微生物修复方法已被应用于地质工程和土木工程领域，如岩土性能改良、历史文物建筑加固保护等。1990 年有人首次提出将 MICP 技术应用于装饰石材保护领域。杨钻[12]从优化菌株的角度出发，对巴氏芽孢八叠球菌野生株进行诱变筛选，得到耐高尿素和钙离子浓度、高脲酶活性的菌株，并通过沙柱粘结试验优化营养盐浓度、灌浆次数和孔隙介质粒径等可控参数，对得到的微生物砂浆的抗拉性能、循环荷载抗压、疲劳抗压等力学性能以及孔径分布、胶凝产物晶体结构等性能进行了系统性的研究，成功得到单轴抗压强度在2MPa 到 55MPa 之间不同强度的微生物砂浆样品，最后进行了现场试验研究和灌浆数值模型的探索，为 MICP 技术应用于砖石砌体文物加固奠定了坚实的基础。综上所述，利用微生物诱导碳酸钙沉积技术可修复石材和水泥基材料裂缝或在其表面形成一层碳酸钙保护膜，从而改善其强度和耐久性。相对于传统的裂缝修复技术该技术具有一定的优势，其反应产物即修复材料最终为碳酸钙晶体，改善了其力学性能和耐久性能，并与材料基体有着较好的相容性，避免了传统技术 中有机材料的应用，而且操作简便，成本低廉，因此该技术为材料裂缝修复开辟了新途径。

4.结论

利用微生物诱导碳酸钙沉积技术可修复石材和水泥基材料裂缝或在其表面形成一层碳酸钙保护膜，从而改善其强度和耐久性。其反应产物即修复材料最终为碳酸钙晶体，改善了其力学性能和耐久性能，并与材料基体有着较好的相容性，操作简便，成本低廉，因此该技术为混凝土结构材料裂缝修复开辟了新途径。

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作者简介：田曼丽（1989-），女，江苏徐州人，汉族，硕士，讲师，主要研究BIM技术应用和材料学。

基金项目：微生物对裂隙岩样渗透系数的影响（项目编号：CJKJ202005）

重庆交通职业学院 重庆 402247