微生物修復混凝土裂縫的研究現狀

呂茂樺 陸春光

摘要：微生物修復混凝土裂縫是一項智能化、環保化的技術。本文首先介紹了混凝土裂縫的愈合機理，探討了微生物誘導碳酸鈣沉淀（MICP）修復混凝土裂縫的機理及研究現狀，并對MICP技術的應用前景提出了建議。

關鍵詞：混凝土;生物礦化;自修復

中圖分類號：TU528

1 引言

針對大型民用基礎設施因裂縫引起的損壞，為降低修復費用，學者們研究了不同的修復策略。近年來，將生物技術引用到混凝土領域中，形成了一個新的研究領域，稱為微生物混凝土或生物混凝土。微生物混凝土自修復技術其實質是在混凝土結構中使用微生物誘導碳酸鈣沉淀（Microbial induced calcium carbonate precipitation， MICP），從而達到混凝土自愈合的目的。

2 基于MICP的混凝土裂縫修復研究現狀

裂縫的形成是混凝土結構中常見的現象。雖然微裂縫的形成幾乎不會影響結構的結構特性，但由于微裂縫網絡的滲透性增加，特別是在潮濕環境下，會有侵蝕性物質的危險，從而大大降低混凝土結構的耐久性。在混凝土基體中加入特殊的愈合劑，以提高混凝土的自裂愈合潛力。除了在水泥基質表面應用活的細菌細胞外，利用細菌作為自愈劑也是一種新的方法。

生物體代謝產物與周圍環境發生反應而形成礦物的現象稱為生物礦化。幾乎所有的微生物在環境適宜下都具有成礦性。1992年，Ferris最早提出了微生物誘導碳酸鈣沉淀技術，簡稱MICP。1995年，Gollapidi等最早提出，基于微生物的礦化機理，具有潛在的混凝土裂縫修復能力。1999年，Edvardsen總結性指出，碳酸鈣沉淀是混凝土裂縫能夠愈合的主要原因。2013年，錢春香等研究了混凝土裂縫的微生物修復效果，實驗結果表明，利用微生物進行修復 40 d 后，混凝土裂縫修復效果明顯，可以觀察到裂縫被微生物礦化形成的碳酸鈣所填充，其填充的最大裂縫寬度超過 1 mm。其實驗結果進一步發現在裂縫開口處鈣化效果最好，但隨著裂縫加深鈣化效果減弱，碳酸鈣含量少。這是因為細菌在氧的存在下生長的更活躍，所以礦化過程在淺裂縫中比在深裂縫中更有效。王文花等利用好氧嗜堿微生物 Bacteria.H1 的礦化沉積作用，并以此為自修復劑，利用膨脹珍珠巖作為微生物載體，開發并研制出一種新型自愈混凝土，可以實現混凝土裂縫自修復。其最大裂縫自修復寬度為 0.72 mm，是普通混凝土最大自修復寬度的 1.8 倍，同時具有良好的抗滲性。

為了增強細菌在裂縫修補中的自愈合作用，學者們研究了不同載體對細菌細胞的固定化作用。Jonkers等在混凝土基質中使用假芽孢桿菌的孢子而非營養細胞作為自愈劑來封閉裂縫。Tittelboom等對硅膠固化細菌進行了研究。澆筑時在水泥漿中加入薄銅板，在混凝土試樣中制備了寬度為0.3 mm、深度為10 mm和20 mm的標準裂縫。通過劈裂試驗，在直徑80mm、高度75mm的混凝土圓柱體中創建了實際寬度為0.05 ～ 0.87mm的裂縫，并用于透水性試驗。用硅膠固化細菌處理的樣品在裂縫擴展和低透水性方面表現出了與環氧樹脂處理樣品相似的良好效果。陳潤發等探究了高堿性環境下氧化鋁（Al2O3）對微生物鈣化的促進作用， 通過對不同裂縫寬度混凝土試件的修復對比研究，發現Al2O3能夠改善堿性環境對細菌活性的抑制，提升其脲酶活性及CaCO3轉化效率。添加Al2O3后，試件浸出液的pH值由12降為9， 當pH值為9時，其環境更適合菌種的繁殖，尿素利用率提升至81%， 顯著提高了CaCO3的產出率， 并明顯縮短了修復的時間。

Tziviloglou等人將載有細菌的愈合劑加入到輕質骨料中，與砂漿混合，并通過透水性測試評估開裂和暴露于兩種不同愈合機制（水浸泡和干濕循環）后水密性的恢復情況。結果表明，當連續浸泡在水中時，試樣的水密性的恢復沒有實質上的改變。然而，在經受干濕循環時，含有愈合劑的試樣的水密性恢復明顯增加。Sharma等人論證了嗜堿性假芽孢桿菌在混凝土裂縫修復中的潛在應用，通過快速產生孢子和萌發，在體外和原位形成碳酸鈣。李珠等以科式芽孢桿菌為自修復劑，利用其嗜堿特性，以膨脹珍珠巖為載體， 開發出一種新型自愈混凝土。Wiktor和Jonkers將細菌孢子（堿性芽孢桿菌）和乳酸鈣的混合物嵌入膨脹的粘土顆粒中，作為混凝土中的自愈劑。其研究表明，細菌和鈣源營養物在混凝土基質中作為雙組分的愈合劑，會在裂縫形成時導致CaCO3沉淀。馮濤等開展了關于乳酸鈣摻量對微生物自修復混凝土裂縫修復寬度、抗壓強度等影響進行了研究，選用科氏芽孢桿菌作為自修復劑、以膨脹珍珠巖為載體，以乳酸鈣為營養物質， 研制出了一種新型自愈混凝土。

3 結論與展望

目前，研究人員們已經研究并證實了生物礦化在裂紋修復中的潛力，并在混凝土裂紋的修復中取得了良好的效果。然而，基于微生物的混凝土裂縫愈合技術，在今后工程推廣應用中還有很多問題需要進一步研究。如：裂縫修復后混凝土的耐久性、微生物裂縫修復技術所能修復的最大裂縫寬度，以及微生物修復的時效等問題都有待進一步的研究。此外，微生物修復技術目前尚不適用于水工建筑的裂縫修復，因此，如何將該技術擴大應用到有水流沖刷的部位，以及一些突發事故中的裂縫緊急修復等領域，這些都是亟待研究的熱點問題。

參考文獻：

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[3]陳潤發，繆林昌，孫瀟昊，吳林玉，王呈呈. 微生物修復混凝土細小裂縫不同修復方法對比研究[J]. 硅酸鹽通報，2019，38（10）：3054-3059.

[4]Tziviloglou E， Wiktor V， Jonkers HM， Schlangen E. Bacteria-based self-healing concrete to increase liquid tightness of cracks[J]. Constr Build Mater 2016，122：118–125

基金項目： 遼寧省級大學生創新創業訓練項目（一種可及時修復裂縫自愈合混凝土構件）;項目編號：S202110148058

作者簡介：呂茂樺（2000-），男，漢，本科生，河南省新鄉人，單位：遼寧石油化工大學，研究方向：微生物混凝土

陸春光（1999-），男，漢，本科生，吉林省永吉人，單位：遼寧石油化工大學，研究方向：微生物混凝土