微生物菌落体系对混凝土裂缝自修复效果的影响综述

韩强强，路 伟，姜 鲁，王亚妹

(宁夏大学土木与水利工程学院，银川 750021)

0 引 言

20世纪80年代初，中国基础设施建设速度加快，各个领域对混凝土的需求量开始增多，对混凝土力学性能的要求也逐渐提高，如道路桥梁与渡河、深海桩基、房屋建筑、地下交通和水利工程等领域。尽管各领域的建筑功能不同，要求也不同，但混凝土的开裂是面临的共性问题[1-4]。混凝土在成型和使用时容易产生裂缝，影响混凝土构件的整体性和使用性能，同时还威胁着结构安全。如果不能及时修复裂缝，将导致建筑结构老化。为解决这些问题，研究者加大了对混凝土自身性能的研究力度，研究发现，普通混凝土自身也具有一定的修复能力[5-8]，这种修复能力源于混凝土在没有完全水化的前提下所保留的继续水化潜力。图1解释了水泥在外部环境下自主修复发生的机制，当裂缝产生后，外界的水(H2O)、二氧化碳(CO2)进入裂缝，和构件内部的钙离子(Ca2+)结合生成碳酸钙(CaCO3)沉淀。然而这种修复需要持续很长的时间，并且修复效果不理想，在后期开裂后混凝土不具有自诊断、自修复的能力[9]。为了能够达到让混凝土具有自诊断、自修复的目的，裂缝的自修复开始被提出[10-11]，自修复混凝土作为一种可以完成自诊断、自修复的智能型混凝土成为了当今领域的研究热点[12-15]，研究者借助具有胶结作用或物理还原作用的智能材料，如内包修复剂的微胶囊[16-18]和中空纤维管[19-21]、形态记忆合金等[22-23]，将其与混凝土组合成为具有自诊断、自修复的新型混凝土。然而，利用微胶囊和中空纤维管包裹修复剂面临着诸多问题，如包裹材料和水泥基材料不兼容、耐久性差、尺寸难以控制等，并且内部修复剂损耗后难以补充，从而丧失自修复的功能。而形态记忆合金的适用领域又极其狭窄，其对梁式构件有着很好的自修复作用，但是在地下隧道衬砌、道路建筑等领域难以发挥作用。

图1 混凝土基材料的修复方式

具有自诊断、自修复特性的微生物自修复混凝土不仅可以和水泥基材料有很好的兼容性，还具有多次休眠激活、长期保持待机状态的能力[24-25]，可弥补上述自修复混凝土的弊端。除此之外，微生物自修复混凝土的适用领域要远远大于形态记忆合金混凝土，在地下结构、隧道、深海桩基、水利工程、大坝结构等领域具有巨大的发展潜力。微生物自修复方法通过细菌的新陈代谢捕捉周边Ca2+生成沉淀，从而填补裂缝，如图2所示，内部的微生物活体在干燥、缺氧的环境下，能够以孢子形态休眠[26-27]，在裂缝产生后，H2O和氧气(O2)进入到混凝土内部，从而诱发孢子激活，微生物发生代谢产生矿化产物，这种矿化产物不仅可以很好地填充裂缝，阻止外部腐蚀粒子继续侵入混凝土构件，而且具有发现裂缝及时、无需借助外部措施便能填补裂缝等优点。

图2 基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复原理

随着微生物自修复混凝土的发展，衍生出了不同的修复体系。这些体系大致可分为两种：其一是一元修复体系，该体系加入单一的菌体，通过一种代谢途径诱发微生物矿化来实现填补裂缝的目的；其二是多元修复体系，该体系通过加入多种菌体，使各个菌体协同作用，共同诱发矿化物沉积从而达到裂缝自修复的目的。

本文结合国内外的研究成果，详细分析了以上两种修复体系的差别，总结了各自的优缺点，并对微生物自修复混凝土的体系选择提出建议。

1 一元与多元修复体系的区别

在国内外微生物自修复混凝土的发展过程中，研究人员面临的第一个问题是菌种的选择。研究发现适用于自修复的细菌主要分为两类：其一是通过分解尿素达到自修复的产脲酶菌；其二是依靠呼吸过程来生成碳酸盐的非尿素分解细菌。此两种细菌都能够在相应条件下达到很好的修复效果。通过选择不同的菌种，将微生物和营养物质通过特殊的方式掺入到混凝土中。依靠单独掺入一种菌体的代谢来诱导矿化物沉积便是一元修复体系的修复方式；以上述两种不同细菌的修复机理为核心，选择性地添加辅助菌落来辅助具有矿化沉积功能(MICP-B)的核心菌落代谢，或者多种核心菌落协同作用从而达到修复的目的，便是多元修复体系的修复机理。

两种修复体系最大的差别为是否具有多种不同的代谢途径，一元修复体系是简单依靠一种微生物的代谢。目前为止，最普遍的方式是选用一种嗜碱菌和营养物质，通过直接掺入[28]、共同固载[29-30]、分别固载[31-34]等方式拌入混凝土中，同时加入其他外加剂，如氧气缓释剂[35]或一定量的纤维[36-38]等，来协助菌落的代谢。但是，通过添加外加剂的方式来协助核心微生物的代谢面临众多的问题，如加入一定量的氧气缓释剂用于协助喜氧细菌的新陈代谢，当氧气缓凝剂消耗完后，细菌的后期代谢将会受到很大的影响，不利于后期裂缝的自修复，同时以加入纤维的方式用来增加成核位点达到更高效捕捉Ca2+的目的，虽然能够通过提高生成沉淀(CaCO3)的量来更好地修复裂缝，但是如果纤维掺量过多，纤维之间的孔隙会影响混凝土的力学性能，掺量过少又难以达到优化捕捉Ca2+的目的，并且纤维间的孔隙仍然存在氧气量不足而无法修复的问题。有研究表明，加入适量的外加剂虽然可以优化混凝土自修复系统，但是试件在早期的抗压强度却低于未加入添加剂的试件[39]，这也是由于一元修复体系的代谢方式单一，对添加剂的依赖也变得十分严重，进而导致添加剂的负面影响会出现在混凝土的某个时期。

多元修复体系不仅可以用其他活体菌落来代替一些外加剂的作用，而且还能利用不同菌体之间的协同作用来产生碳酸盐，如加入酵母菌来辅助巴氏芽孢杆菌的代谢反应[40-42]，可以提高裂缝修复的深度。Zhang等[43]在厌氧和缺氧环境下，通过加入内含其他细菌的活性污泥与枯草芽孢杆菌混合培养，发现裂缝修复宽度可以达到1.2 mm，这在微生物自修复领域中是十分罕见的。不仅如此，现实中混凝土构件所服役的环境具有复杂多样性，周边环境中细菌种类繁多，相互之间联系紧密，与一元修复体系差别巨大，相反多元修复体系下的抗逆性能力强，与单一菌种不同，因各个修复体系紧密相连，协同共生，能够共同承担更多的任务，抵抗更大来自于外部环境的冲击。

2 一元与多元修复体系的修复机理和修复效果

2.1 一元修复体系的修复机理

到目前为止，在微生物自修复领域研究中提及最多的是一元修复体系。在一元修复体系中微生物的选用十分重要，不仅需要独立面对外部环境的影响，又要承担修复细微裂缝的责任，所选细菌不仅要能够适应混凝土内部的强碱环境，而且也需要有很好的矿化效果，表1列出了一元修复体系中最常用的微生物种类[31,44-57]。

表1 一元修复体系下细菌的选择

(1)产脲酶菌。在细菌的分类中，产脲酶菌是最为普遍的一种细菌，这种细菌可以依靠碱性环境生存，矿化产物也能够与水泥基很好地兼容在一起，矿化机理如图3所示，产生的脲酶可以在第一阶段将尿素(CH4N2O)分解为氨气(NH3)及氨基甲酸酯(NH2COOH)，NH2COOH在第二阶段自发水解生成NH3和碳酸(H2CO3),NH3和H2CO3在第三阶段进一步生成碳酸氢根离子(HCO-3)及氢氧根离子(OH-),随后在第四阶段HCO-3、OH-结合生成碳酸根离子(CO2-3),这些CO2-3与吸附在细胞表面的Ca2+结合生成沉淀，达到修复裂缝的目的。研究[58-59]表明将含有产脲酶菌的混合液直接滴入到事先做好的裂缝中，试件裂缝得到了修复。然而，如果将菌液直接拌入混凝土中，并不能达到自修复的目的，其原因是微生物在搅拌过程中受外部挤压以及混凝土内部高碱性环境影响，从而导致大部分芽孢生存时间低于4个月[28]。为此，一些研究人员[60-61]将产脲酶菌通过陶粒负载拌入混凝土试件，在开裂后养护7 d发现超过60%的0.4～0.5 mm的裂缝被修复,在开裂后养护28 d发现可以修复0.51 mm的微裂缝，自修复效果明显。脲酶的活性会影响CaCO3沉淀的产出[62-63]，这也意味着提高脲酶活性不仅可以高效产出CaCO3沉淀，也可以间接加快混凝土裂缝修复的时间。为了找到与水泥基兼容性更好的细菌，选用的菌种不仅能够在高碱等恶劣环境下存活，其矿化产物的微观物相也应该和水泥基具有很好的兼容性。研究[43,64]表明，目前发现在微生物自修复领域CaCO3晶相类型主要为方解石、文石、球文石三种。各种晶体的优劣表现在不同的方面，其中方解石的稳定性最好，文石的稳定性虽然低于方解石但是强度和密度却高得多，这说明文石具有很好的机械性能。研究人员[64-65]通过更改巴氏芽孢杆菌在矿化中的钙源，发现矿化所产生的CaCO3的晶相类型得到了改变。当钙源为氯化钙时，矿化产物晶体主要为方解石和球文石，当钙源为醋酸钙时，所沉积晶体主要为球文石。这表明沉积晶体的物相可以通过改变钙源而改变，但是对于沉积物混合物相的修复效果以及修复后的力学性能对比还有待进一步研究。

图3 产脲酶菌矿化机理

尽管产脲酶菌具有矿化物合成量大、产量高、稳定性强等优点，但是对于修复环境的要求却十分苛刻。Wang等[31]发现，产脲酶菌在干湿循环养护的条件下裂缝修复效果最好，裂缝最大修复宽度接近1 mm，但在湿度大于95%的湿环境下的修复效果几乎为0，这主要是由于在干湿循环养护条件下，产脲酶菌能够更好地接触O2，从而提高尿素的分解速率，进而更好、更快地产生矿化产物。不仅如此，脲酶的活性也与水泥基内部环境的pH值、外加剂种类、营养物质浓度、内部温度及钙源有很大的关系，并且产脲酶菌在矿化过程中会向空气中释放NH3。到目前为止还没有有效的手段去克服这些不足，从而限制了产脲酶菌在混凝土中的应用。

(2)非产脲酶菌。针对产脲酶菌产生的不足，学者们不得不将注意力放在非产脲酶菌上，开始将注意力放在依靠捕捉碳源以及转化碳源进行呼吸作用的非产脲酶菌的研究上。研究发现在非产脲酶菌中有很多不同种类的矿化机理，根据矿化机理的不同可以将非产脲酶菌分成三大类：其一，依靠有机碳向无机碳转化的好氧性非产脲酶菌；其二，依靠捕碳转化碳酸的好氧性非产脲酶菌；其三，厌氧性反硝化菌。

①依靠有机碳向无机碳转化的好氧性非产脲酶菌。在以这种非产脲酶菌为核心的修复体系下[29,66]，沉淀(CaCO3)生成主要被两个因素所驱动：其一，因细菌表面带有负电荷，会将Ca2+吸引在细菌表面形成成核位点，有利于沉淀的生成;其二，非产脲酶菌将有机酸盐消耗掉作为碳和能量的来源，这些有机酸钙生成CO2和H2O并进一步和水泥基内部的碱性物质(Ca(OH)2)反应生成沉淀(CaCO3)进而达到修补裂缝的目的。图4描述了依靠有机碳向无机碳转化的好氧性非产脲酶菌的矿化机理，细菌在第一阶段通过代谢将醋酸钙(Ca(C4H6O4))转化为CaCO3和CO2，CO2在第二阶段和Ca(OH)2反应再一次生成CaCO3，从而达到修补裂缝的目的。尽管这种修复方式不像产脲酶菌一样排放有害气体，但是在早期研究[32]中发现，此种细菌对O2的依赖程度十分的高，矿化过程也十分缓慢，这限制了其在水泥基材料中的应用。

图4 依靠有机碳向无机碳转化的好氧性非产脲酶菌的矿化机理

②依靠捕碳转化碳酸的好氧性非产脲酶菌(碳酸酐酶菌)。这种细菌主要以捕捉的空气中的CO2作为碳源，促使CO2与H2O在碱性条件下生成H2CO3[53,67-68]，H2CO3先后进行两次电离，并在中途生成三种离子，分别为氢离子(H+)、HCO-3、CO2-3。图5详细解释了碳酸酐酶菌的矿化机理，细菌产生的碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)[69]将外界中的CO2快速溶解生成H2CO3，H2CO3被CA进一步催化成HCO-3和CO2-3，随后CO2-3结合细胞表面的Ca2+生成沉淀(CaCO3)。研究表明,碳酸酐酶菌发生代谢反应可以生成大量的CaCO3[70]，同时具有很强的胶结作用[71],此种修复方式对于0.3 mm下的水泥基裂缝有着很好的修复效果，但是随着开裂龄期的增加[54]或者当裂缝宽度靠近1 mm时[71-73]，修复效果开始大幅度降低。细菌的无机碳来源于空气中的CO2并且需要O2的参与[74]，这对于深层次的裂缝并不适用，但是对于表面裂缝具有不错的修复效果。虽然和前面所提到的两种细菌相比，碳酸酐酶菌具有更好的环保性，但是适用性窄，并不适合用在混凝土的自修复领域。

图5 碳酸酐酶菌的矿化机理

③厌氧性反硝化菌。无论是产脲酶菌或者是通过捕碳及转化有机碳的非产脲酶菌都属于喜氧菌体，对O2有很大的依赖性。然而混凝土构件的工作区域不仅只在O2富饶的地区，同时也在贫氧的环境下工作，如深埋地下桩基础等。针对此问题，利用厌氧类细菌(反硝化菌)的自修复混凝土被提出[56]，其主要的修复原理是通过添加外加剂，如甲酸钠(NaHCOO)、硝酸钠(NaNO3)、甲酸钙(Ca(HCOO)2)等为反应提供必要的离子，以硝酸根离子(NO-3)作为电子受体而不是O2[57]，在有机物的微生物氧化过程中发生了生物NO-3的还原反应，减少了对O2的依赖，使其将有机碳源转化为CO2-3。图6详细解释了反硝化菌的矿化机理，整个反应过程主要分为五个阶段，反应中的每个阶段都有新物质生成，从而作为下个阶段的反应底物：第一阶段，甲酸根离子(HCOO-)、NO-3、H+反应生成亚硝酸根离子(NO-2)、H2O、CO2；第二阶段，HCOO-与NO-2、H+进行反应，生成一氧化氮(NO)和CO2；第三阶段，NO结合HCOO-生成一氧化二氮(N2O)和CO2；第四阶段，N2O继续和HCOO-发生反应生成氮气(N2)、CO2；第五阶段，伴随着前四个阶段同时进行，前四个阶段生成的CO2诱导Ca2+生成沉淀。Sonmez等[75]发现在不同钙源(硝酸钙、甲酸钙)下会影响反硝化菌的矿化速率，且在低营养状态下甚至可以实现增强碳酸钙沉淀性能。与产脲酶菌相比，反硝化菌的还原机制更加稳定，并且原料简单，材料成本较低，适用于贫氧环境下的矿化修复。尽管反硝化菌完善了微生物自修复的矿化体系，但是碳酸盐沉积的速率相对产脲酶菌较低[76]，对如何提高碳酸盐沉积速率还有待进一步研究。

图6 厌氧性反硝化菌的矿化机理

上述所提的四种单一菌种的修复机理是一元体系中的核心修复机制，因代谢机制单一，具有很大的受限性，如厌氧菌体若放在富氧环境下，内部代谢途径将受到阻碍，同样的将喜氧菌体放在贫氧或者无氧环境下，内部代谢途径将会减缓甚至停止，如何解决此类问题，还有待进一步研究。

2.2 一元修复体系的修复效果

作为一种在产生裂缝之时可以达到自诊断、自修复的智能型水泥基材料[47,77]，选用一元修复体系的微生物自修复混凝土裂缝的修复效果、力学性能的恢复效果被广大学者所认可[78-81]。

图7展示了在选用产脲酶菌、非产脲酶菌下的自修复混凝土的裂缝修复效果。Ersan等[82]将反硝化菌负载在颗粒载体中发现，当裂缝产生28 d后可以将0.4 mm的裂缝修复95%，在0.01 MPa的水压下，透水性降低80%。Wang等[31]将产脲酶菌(Bacillussphaericus)固载在微胶囊中发现，当裂缝产生后，1 mm的裂缝在21 d后就能完全修复。Vashisht等[50]以产脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)为矿化细菌制造水泥基构件，在人工制造裂缝后养护28 d发现，构件表面损伤不仅完全修复，抗压强度也增加了34.6%，这表明产脲酶菌在混凝土中有巨大的应用潜力。Kanwal等[47]将产脲酶菌(Bacillussubtilis)固定在蔗渣中发现，0.5 mm的裂缝在修复28 d后修复率达到了100%，除此之外，抗折强度提高了6.5%，断裂应变提高了58.11%。Fu等[83]研究了产脲酶菌(Sporosarcinapasteurii)在海水环境下的裂缝自愈合效果，尽管在海水中的修复效果不如淡水中的好，但是裂缝修复15 d后的修复率仍然高达80%，有效阻止了外界腐蚀离子的侵入。Prošek等[52]将非产脲酶菌(Bacilluspseudofirmus)使用聚乙烯醇包裹，掺入混凝土中发现在裂缝产生180 d后，不仅裂缝修复率达到了100%，抗弯强度修复率也达到了100%。Qian等[54]将碳酸酐霉菌(Bacillusmucilaginous)作为矿化细菌拌入混凝土中发现，0.5 mm的裂缝只需要10 d便可以完全修复，裂缝修复后的抗折强度相对于没有掺入自修复剂的混凝土试件提高了110%。

图7 选用一元修复体系的自修复混凝土的修复效果

尽管现在研究发现一元体系下的自修复效果很好[84-86]，但是外部环境复杂，实际混凝土构件的工作环境(淤泥沼泽地区、水下、山体隧道等)富含多种不同的微生物群落，单一菌体能否在实际应用中发挥出很好的修复效果还有待考究。

2.3 多元修复体系的修复机理

与一元修复体系不同，多元修复体系更加贴近水泥基构件的工作环境，这种修复体系具有至少两种不同的代谢机制来诱导CaCO3生成(见表2)。

表2 多元修复体系下细菌的选择

例如,将反硝化菌设定为微生物自修复体系的核心菌落，再加入一种可以将大分子碳源转化为小分子碳源的细菌辅助核心细菌矿化，从而使各种微生物协同作用。图8详细解释了这种体系的矿化机理，图8(a)利用具有发酵功能的细菌(fermentative bacteria，FB)将大分子碳源(乳酸)转换成小分子碳源(乙酸)，小分子碳源更容易被具有反硝化功能的微生物(denitrifying bacteria，DNB)代谢生成CO2，最终诱导CaCO3生成。通过更换不同的核心菌种来调节代谢机制，如图8(b)所示，将厌氧性细菌更换成兼性厌氧菌落同样可以达到矿化沉积的目的。这种体系不仅可以使各菌体之间分配更多的任务，在面对外部复杂环境时也具有更好的韧性。

图8 厌氧性混菌和兼性厌氧混菌在矿化沉积中的相互作用

这种具有多种代谢途径的体系并不局限于多种具有单一代谢途径的菌体混合在一起构成的多种体系，一种菌落也可能具有多种代谢途径。Zhu等[88]发现了一种具有尿素水解和硝酸盐还原两种代谢途径的细菌，Zhao等[89]将一种具有产脲酶的阳性真菌放入含有Ca2+和Sr2+的环境中，也发现内部同样有两种具有方解石晶相的沉淀(CaCO3、SrCO3)生成。当然，想要构成多种代谢途径的微生物矿化体系，最简单的方式便是将多种只具有单一矿化作用的微生物混合培养，张家广等[87]在好氧、厌氧、兼性厌氧条件下分别富集驯化了具有矿化修复功能的混菌，搭建了多种代谢途径，结果发现，混凝土裂缝修复宽度更大，深度更深，并且具有更强的抗冲击能力。不仅如此，与一元修复体系不同，多元修复体系下矿化产物在微观物相方面具有多样化，这也将各种物相下结晶体的优点集中在了一起，完善了单一晶相的不足，并且微生物菌群的生产成本也降低了61%[43]。

综上所述，假设了几组多元修复体系下具有不同代谢功能的微生物的搭配，如表3所示。如在有氧环境下将几种产脲酶菌(BacillusSubtilis,Sporosarcinapasteurii,Bacillussphaericus)和酵母菌进行搭配，这主要是因为酵母菌分泌物可以作为产脲酶菌的营养成分。研究[90]表明，在微生物自修复混凝土中添加酵母提取物可以更好地诱导矿化作用。若是以产脲酶菌为核心矿化菌体，酵母菌为辅助菌体，两种菌体通过协同作用不仅可以共同应对外界的冲击作用，而且可以解决酵母提取物因前期消耗而导致后期矿化时不足的问题。当然，目前有研究者已经将某一种产脲酶菌(Bacilluspasteurii)和酵母菌搭配构成了多元修复体系，为其他几种产脲酶菌的搭配提供了理论和技术上的支持[41]。除此之外，酵母提取物也是其他非产脲酶菌的营养物质，如科氏芽孢杆菌(Bacilluscohnii)[91]。和产脲酶菌类似，将科氏芽孢杆菌和酵母菌构成多元修复体系成为了可能。不仅如此，厌氧环境下的微生物多元修复体系搭配也十分重要，如将可以转换大分子碳源的微生物[92](Acetobacteriumpsammolithicum,Gemmobacter)和具有反硝化作用的微生物[87](Pseudomonasaeruginosa,Alishewanel，Azotobacter)相搭配,以前者作为辅助性细胞将大分子碳源(如乳酸)转换为小分子碳源(如乙酸)，然后小分子碳源被作为核心的反硝化菌进一步分解为CO2，从而诱导CaCO3生成。同样，也可以将不同种类的矿化菌进行搭配，构成可以灵活更换应用环境的智能型水泥基构件，如将好氧环境下的产脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)和一种同时具有尿素水解功能和硝酸盐还原功能[89]的细菌(Ralstoniaeutropha)相结合，构造出一种可以使两种修复体系在不同环境下切换的智能体系。这是因为Lysinibacillussphaericus需要O2参与代谢活动，在有氧环境下被激活后可以和Ralstoniaeutropha同时将尿素水解，诱导CaCO3生成，从而进行多元修复体系下的代谢活动；在无氧环境下Lysinibacillussphaericus不能发挥作用，仅有Ralstoniaeutropha进行硝酸还原反应，从而进行一元修复体系下的代谢活动。

表3 多元修复体系下细菌的选择(假想)

然而，国内外对多元修复体系的微生物矿化研究还十分缺乏，更多的理论性猜想还有待进一步探究和验证。

2.4 多元修复体系的修复效果

相比一元修复体系，多元修复体系不仅具有抵抗更大外界冲击和更加贴合实际环境的优点，也有更好的修复效果。

图9展示了在多元修复体系下的裂缝修复情况。Zhang等以科氏芽孢杆菌(Bacilluscohnii)为核心菌体，先是从活性污泥中提取出了可在缺氧条件下存活的混菌体(Mc-Ao)作为辅助菌[43]，又在有氧条件下提取了喜氧混菌体作为辅助菌体[87]，然后在缺氧和有氧环境下分别研究了混菌体裂缝的修复效果。研究发现，在裂缝经自修复28 d后，两种混合菌体的修复宽度最大都可以达到1.22 mm，这在一元修复体系中是难以实现的。同时，Zhang等[43]又在厌氧条件下测试了以另一种辅助菌体(Mc-Aa)构成的多元修复体系，结果发现其修复宽度为0.79 mm的裂缝时修复率可以达到100%，随后又进行了修复后透水性的测试，发现相对于一元修复体系，多元修复体系下的抗水渗透性能更强。魏冠奇[41]以巴氏芽孢杆菌(Bacilluspasteurii)为核心菌种，以酿酒酵母菌(Brewersyeast)为辅助菌种构建了多元修复体系，并以一元修复体系作为对照，发现一元修复体系下的CaCO3沉积深度在约2.8 mm的范围内，当裂缝深度大于4 mm时不会产生十分明显的沉积现象，而多元修复体系下在整个裂缝范围内均有明显的沉积现象，这表明多元修复体系下修复裂缝的深度更大。

图9 选用多元修复体系的自修复混凝土的修复效果

综上所述，多元修复体系的优点不仅仅表现在贴合实际环境这一个方面，其修复效果相对于一元修复体系也更加出色，具有更好的三维修复能力(平面修复-深度修复)。

3 修复效果的表征方式

无论是一元修复体系还是多元修复体系，修复效果才是评价一种修复方式好坏的硬性指标，甚至在某种程度上修复效果的好坏可以直接决定某种自修复方式是否可行。修复效果的评估不仅给研究者提供了参考，也协助加快了自修复的研究进程。选出更加合理以及适用的表征方式能够对比出不同体系下的修复效果，对选出更实用的修复体系提供了支持。结合国内外研究现状，发现目前对混凝土自修复效果的表征方式主要分为以下几种：

(1)表面裂缝修复宽度。运用高清摄像仪检测所修复裂缝的宽度，不仅能够直观地表征出此种途径的修复效果，还能观察出矿化进程[43,93-94]。

(2)超声脉冲速度(ultrasonic pulse velocity, UPV)测量和四点弯曲试验。几十年来UPV检测被认为是一种可靠的非破坏性技术(图10)，UPV常被用来作为砂浆棱镜损伤和愈合的指标，这种检测方式主要是因为混凝土内部构造会影响超声波的传播，从而得出内部信息如孔隙率、弹性模量、微裂纹的分布情况[95]。UPV测量在负重前、负重后、愈合后依次进行，研究垂直于加载方向和试样裂纹平面的传输方向，用来评估损伤和愈合程度，之后再进行四点弯曲试验以评测力学性能[96]，这样能够形象地表征出不同体系下的修复效果，然而UPV测量仅能表征出平面裂纹传输和修复情况，对于深度裂纹的动态变化无法表征，弥补这种不足的做法还有待进一步探究。

图10 混凝土试件UPV测试[97]

(3)表面裂缝修复率。在微生物自修复混凝土的研究中，并不是所有的裂缝都会被完全修复，当面临多个对照组中裂缝修复都不完全时，修复率能更容易、更直观地表征出修复效果的好坏程度，普遍运用电子显微镜(如VP-SEM)来跟踪记录裂缝修复宽度的演变过程，使用图像处理软件确定裂纹面积，之后通过式(1)计算出准确的修复率变化情况。

(1)

式中：h为修复率；hi为初始裂纹面积；ht为t时刻裂纹面积。

(4)渗透率。裂缝的修复效果不仅可以直接通过超声探测仪表征，还可以间接通过水的渗透率来表征，运用自行搭建的渗透装置(见图11)，通过式(2)计算出修复后水泥基构件的渗透率。

图11 渗透率测试装置[43]

(2)

式中：k为渗透率，cm/s；la、wa分别为测试盘上下表面的平均长度、平均宽度，cm；to为1 500 mL水通过裂缝进入的测试时间，s。

(5)力学性能测试。在表征修复效果的好坏时，将修复后和裂缝产生前的水泥基构件的力学性能作对比，是推算水泥基构件修复前后力学性能恢复水平的重要指标，尽管当今一元修复体系下对修复后力学性能的测试很多，但是摄入力学性能恢复率(见式(3))概念的还很少，力学性能恢复率不仅能更加直观地表征水泥基构件修复后极限荷载的损失量，而且也是评价不同体系之间好坏的关键因素，可为以后混凝土自修复体系之间的选择提供参考和建议。

(3)

式中：s为力学性能恢复率；Fi为初始极限抗压强度；Ft为修复后极限抗压强度。

这几种表征方式不仅可以把裂缝修复效果的好坏直观地展现在研究者的面前，而且对混凝土微生物矿化的后期研究也能给出数据上的参考和建议。然而，裂缝的延伸是三维立体的，裂缝深度的修复情况也是混凝土自修复领域的一个重要问题，对裂缝修复深度的表征方式还有待进一步研究。

4 结语与展望

微生物自修复是利用微生物的矿化产物去填补混凝土裂缝来达到修补裂缝的目的，被认为是延长混凝土服役年限最有益的方法。选用合适的矿化修复体系才能将微生物矿化效果最大化，从而保障微生物混凝土自修复机理的有效性。然而目前国内外学者在选用矿化体系上，绝大多数采用一元修复体系，并且在培养菌株以及养护微生物水泥时都在利于单一菌种的适宜环境下进行，从而保证微生物有很好的矿化效果，但忽略了外部复杂的实际环境。不仅如此，在一元修复体系下，裂缝的修复工作大多从平面开展，难以达到裂缝三维修复的目的，可能导致矿化鲁棒性降低。针对一元修复体系，多元修复体系不仅可以将体系内多种代谢机制协调共同作用，还可以承担更多任务且更加符合外部多菌共存的实际环境，从而保持微生物矿化的稳定性。

综上所述，多元修复体系更加满足实际工作要求，更有利于将微生物混凝土应用到实际工程中。