依据微生物的水泥基资料裂缝自修正技能研讨发展 科技导报

  针对传统混凝土裂缝修正存在的问题，一同受仿生学范畴自愈合现象的启示，国内外学者开端对混凝土裂缝自修正技能进行研讨，使得混凝土本身具有自我监测、自我修正功用。近年来，依据微生物的水泥基资料裂缝自修正因具有较大的修正潜力和环境友好等特色，遭到研讨者广泛重视。

  本文从微生物自修正水泥基资料裂缝开展进程、微生物诱导矿化堆积结晶机理、微生物诱导矿化产率及影响要素、微生物的固载及固载后矿化活性的测定、裂缝制造办法及修正维护条件、修正作用表征办法、裂缝自修正作用和微生物自修正剂对水泥基资料本身功用的影响方面，总述了其研讨发展，并指出了现在微生物自修正水泥基资料研讨中首要存在的问题。

  1973年，Boquet等发现自然界中许多微生物在适合条件下能够经过本身生命活动生成矿藏堆积。

  2001年，Bantosh等将这种微生物诱导碳酸钙堆积（MICP）技能应用在混凝土裂缝修正中。但该裂缝修正办法需耗费许多的裂缝监测及修理本钱，仍归于被迫修正范畴。

  2007年，Jonkers等提出了依据MICP技能的微生物自修正混凝土规划理念。尔后，研讨者对依据微生物的混凝土裂缝自修正进行了许多的研讨。

  巴氏芽孢杆菌（兼性厌氧型）具有十分大的自修正潜力，被广泛应用于混凝土裂缝的自修正研讨傍边（图1）。

  该菌以尿素和钙源溶液为矿化所需底物，其体内含有一种脲酶，能够将尿素分化为NH3和CO2，NH3极易溶于水并生成OH促进了CO2向CO32-的转化。一同，细菌外表带有负电荷，不断地与溶液中的阳离子（Ca2+）结合，并以本身为成核位点与CO32-反响生成碳酸钙晶体。该进程堆积生成量大、速率高，但不足之处是该进程发生的NH3会对环境形成必定的担负。

  Jonkers等运用一种嗜碱性芽孢杆菌（好氧菌）并以乳酸钙为底物组成微生物自修正剂进行修正研讨（图2）。

  该菌的作用机理为混凝土开裂后，水和氧气进入混凝土内部，细菌开端复苏并经过本身呼吸作用将有机酸钙分化为CaCO3和CO2，生成的CO2持续和水泥水化产品Ca(OH)2反响生成CaCO3。

  该途径对环境几乎没有晦气影响，但这种依托细菌本身有氧呼吸作用发生堆积的进程缓慢，且该进程需求氧气的参加，裂缝深处氧气含量较低约束了可修正裂缝的深度。

  Tziviloglou等运用细菌无氧呼吸分化有机碳源生成碳酸钙堆积。其所用的硝酸盐复原菌能够经过本身无氧呼吸作用将有机碳源分化为CO32-和HCO3-，进而与Ca2+反响生成碳酸钙堆积。

  Ehrlich等运用硫酸盐复原菌的无氧呼吸作用生成碳酸钙堆积。该办法与有氧呼吸作用办法相同，生成堆积修正裂缝进程相同缓慢，且在裂缝外表邻近很难确保无氧环境，无法满意其矿化所需条件。因而，运用细菌无氧呼吸分化有机碳的研讨较少。

  以上所述矿化途径均归于异养途径，都需求额定参加微生物矿化所需底物（碳源或钙源）。而底物的掺入在进步混凝土本钱的一同，又会对混凝土本身功用发生必定的影响。为处理上述问题，钱春香课题组提出了一种自养型MICP途径，研讨人员挑选出一种内含有一种碳酸酐酶的细菌，能够大幅进步CO2的水解速率，在碱性环境下促进CO32-的生成，然后与周围游离的Ca2+反响生成碳酸钙堆积。

  上述微生物自修正混凝土裂缝机理不同，但实质都是微生物参加诱导矿化进程并终究生成碳酸钙堆积以完成对裂缝的封堵（表1）。

  水泥基资料裂缝自修正作用首要跟碳酸钙的堆积量有关。研讨显现，关于已给的必定量的某种细菌，其诱导碳酸钙矿化产率首要跟底物品种和浓度、反响温度和环境pH值有关。

  从前研讨大都是依据试验室环境条件下进行的，实践工程中可考虑以下3种办法：（1）提早依据细菌品种挑选适合的底物品种，并在不影响水泥基资料本身功用的一同尽可能添加底物掺量；（2）尽可能操控水泥基资料修正时所在环境为细菌矿化所需最适环境（温度、氧气含量、水等）；（3）对细菌采纳必定的维护措施，然后下降pH值对细菌生物活性剂矿化产率的影响。现在的研讨大都聚集于怎么进步对微生物的维护。

  混凝土内部高碱性环境以及水泥水化使得其内部孔隙细化导致细菌的生存空间缩小或消失，影响水泥基资料内部细菌生物活性及矿化产率。对此，为了对细菌起到必定的维护作用，往往预先对细菌或修正剂进行处理，然后再与混凝土资料一同拌和。

  最为简略的处理办法是直接将细菌孢子悬浮液与具有维护功用的资料混合拌和。而为供给杰出的维护作用和成长存活空间，现在的研讨大都选用多孔资料对微生物修正剂进行固载。

  表2对几种不同固载办法所用的微生物载体、载体特色、固载办法以及各自的办法点评进行了归纳。

  限制法制造裂缝是当时运用最为遍及的裂缝制造办法。但是在试验中，加载进程呈现的裂缝宽度和长度都是随机的，晦气于试验研讨。为处理这一问题，可选用内嵌法和拼接法对裂缝进行处理。

  实践工程中，混凝土在运用进程中即便没有力学荷载的状况下也会呈现各种缩短，然后发生裂缝，可依据此原理进行裂缝的制造。但是，该办法较为杂乱，因而在现在的研讨中鲜有运用。

  为确保修正作用，样品开裂后的维护至关重要。现在存在的维护办法首要分为5种：（1）适合温度（20-30°C），较大相对湿度（90%RH）下维护；（2）适合温度的水中浸泡；（3）适合温度的养分溶液（包括细菌成长及矿化反响所需物质）中浸泡；（4）以水为介质进行湿干循环；（5）以养分溶液为介质进行湿干循环。

  裂缝面积修正率是最为直观的修正作用表征办法。可运用光学显微镜对裂缝方位摄影，一同运用图画处理软件对图画进行二值化处理，计算出裂缝面积。

  微生物对裂缝的修正作用不该只表现在对裂缝的封堵上，还应对混凝土结构力学功用有必定的康复，强度康复率是一种很好的力学功用修正作用表征办法。

  混凝土结构耐久性与其抗渗性有关，抗渗性越强，抵挡外界有害物质腐蚀作用越强，耐久性越好，因而，十分有必要对修正后裂缝处的抗渗性进行研讨。

  为防止对试件损坏，复原实在的裂缝内部修正作用，可选用超声波无损检测法、X射线计算机断层扫描（X-CT）技能对混凝土的裂缝进行检测与剖析。

  混凝土内部严苛的环境是影响细菌自修正裂缝作用的最首要要素。当时的研讨也大都聚集在载体的挑选以及固载办法的进步方面，以期更好地对细菌进行维护，进步其在混凝土内部的矿化活性，然后进步修正作用。表3中总结了经不同载体固载后，细菌修正裂缝的作用。

  关于宽度为0.5 mm以内的裂缝，微生物能够到达杰出的修正作用，且经修正后，混凝土结构强度得到必定的康复，本身抗渗透性、抗腐蚀性以及耐久性得到了进步。但自修正混凝土现已进入瓶颈期，现在已知的微生物可自修正最大裂缝修正宽度为1.24 mm，仅仅其修正率较差，且裂缝修正深度十分浅。

  除载体外，研讨标明开裂龄期对裂缝自修正作用的影响也较大，跟着裂缝制造龄期的延伸，自修正作用下降。这首要是因为混凝土内部环境严苛，晦气于细菌成长存活。

  现在修正作用大都首要重视裂缝外表的闭合，而关于修正深度的研讨则较少。且现在研讨多集中于挑选更优的载体及固载办法来进步修正作用，并没有较大的立异，假如不能从根本上对细菌在混凝土环境中的矿化机理以及影响要素进行深入研讨，很难获得实质性的打破。

  微生物自修正剂各组分的参加必然会对水泥基资料本身功用发生影响，经过对所用细菌、底物、载体的品种进行挑选，并调整其掺量在合理范围内，然后在确保较好修正作用的一同，使得微生物自修正剂对水泥基资料的晦气影响降到最低。

  现在的研讨首要针对其力学功用和耐久性的影响，而耐久性首要经过吸水性、渗透性进行旁边面表征，吸水性和渗透性越低，则证明其抗外界物质腐蚀才能越强，耐久性越好。

  值得注意的是，虽然微生物自修正剂起着杰出的进步功用作用，但并不是微生物浓度越高，越有助于功用的进步。只考虑修正剂对强度的影响，细菌最佳浓度为105 cells/mL。当然，若选用载体对细菌或修正剂进行固载，状况将不同。

  依据微生物的水泥基资料自修正研讨已有许多，而且也获得了必定的发展，但现在首要存在以下几个问题：

  1）试验室中混凝土裂缝的制造大都在混凝土维护28 d之前，关于经几年后制造的裂缝的修正作用很少有相关报导。细菌经几年后是否依旧存活或依旧具有矿化修正才能有待研讨。

  2）现有的研讨都是在没有外力荷载的试验室条件下进行的，且为确保修正作用，尽量供给最适合的修正环境。但关于受荷载（静力荷载、动力荷载）作用下或在恶劣环境（多雨、干旱、盐渍等）下的修正作用研讨较少。

  3）应树立微生物自修正剂的掺量与裂缝修正作用之间的完好对照系统，以便利参阅，并能了解到不同品种、不同掺量的微生物自修正剂所能到达的修正作用。

  4）因为混凝土内部环境严苛，细菌的成长存活才能以及矿化才能大幅下降，虽然研讨者们一向寻觅适合的载体及办法对细菌进行维护，但终究细菌修正裂缝的作用仍难以获得打破。现在所能修正的最大裂缝宽度为1.24 mm，但修正率较差，可修正裂缝深度十分浅。因而，怎么进步裂缝修正宽度尤其是修正深度，是现在所面对的关键问题。

  5）现在对裂缝修正作用的研讨只停留在修正时裂缝处的短期力学功用及耐久性，几乎没有对修正后裂缝处长时间耐久性的研讨报导。而且，暴露在自然环境中饱尝风吹雨淋、四季替换的混凝土结构经微生物修正后的耐久性也有待研讨。

  论文作者：王海良、陈仓、荣辉、李莹、陈禹廷、张颖、张津瑞、王剑云作者简介：王海良，天津城建大学土木工程学院，教授，研讨方向为土木工程资料；张津瑞（通讯作者），天津大学水利工程仿真与安全国家重点试验室，副教授，研讨方向为混凝土耐久性。

  论文全文宣布于《科技导报》2022年第15期，本文有删减，欢迎订阅检查。

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