吕茂桦 陆春光

摘要：微生物修复混凝土裂缝是一项智能化、环保化的技术。本文首先介绍了混凝土裂缝的愈合机理，探讨了微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）修复混凝土裂缝的机理及研究现状，并对MICP技术的应用前景提出了建议。

关键词：混凝土;生物矿化;自修复

中图分类号：TU528

1 引言

针对大型民用基础设施因裂缝引起的损坏，为降低修复费用，学者们研究了不同的修复策略。近年来，将生物技术引用到混凝土领域中，形成了一个新的研究领域，称为微生物混凝土或生物混凝土。微生物混凝土自修复技术其实质是在混凝土结构中使用微生物诱导碳酸钙沉淀（Microbial induced calcium carbonate precipitation， MICP），从而达到混凝土自愈合的目的。

2 基于MICP的混凝土裂缝修复研究现状

裂缝的形成是混凝土结构中常见的现象。虽然微裂缝的形成几乎不会影响结构的结构特性，但由于微裂缝网络的渗透性增加，特别是在潮湿环境下，会有侵蚀性物质的危险，从而大大降低混凝土结构的耐久性。在混凝土基体中加入特殊的愈合剂，以提高混凝土的自裂愈合潜力。除了在水泥基质表面应用活的细菌细胞外，利用细菌作为自愈剂也是一种新的方法。

生物体代谢产物与周围环境发生反应而形成矿物的现象称为生物矿化。几乎所有的微生物在环境适宜下都具有成矿性。1992年，Ferris最早提出了微生物诱导碳酸钙沉淀技术，简称MICP。1995年，Gollapidi等最早提出，基于微生物的矿化机理，具有潜在的混凝土裂缝修复能力。1999年，Edvardsen总结性指出，碳酸钙沉淀是混凝土裂缝能够愈合的主要原因。2013年，钱春香等研究了混凝土裂缝的微生物修复效果，实验结果表明，利用微生物进行修复 40 d 后，混凝土裂缝修复效果明显，可以观察到裂缝被微生物矿化形成的碳酸钙所填充，其填充的最大裂缝宽度超过 1 mm。其实验结果进一步发现在裂缝开口处钙化效果最好，但随着裂缝加深钙化效果减弱，碳酸钙含量少。这是因为细菌在氧的存在下生长的更活跃，所以矿化过程在浅裂缝中比在深裂缝中更有效。王文花等利用好氧嗜碱微生物 Bacteria.H1 的矿化沉积作用，并以此为自修复剂，利用膨胀珍珠岩作为微生物载体，开发并研制出一种新型自愈混凝土，可以实现混凝土裂缝自修复。其最大裂缝自修复宽度为 0.72 mm，是普通混凝土最大自修复宽度的 1.8 倍，同时具有良好的抗渗性。

为了增强细菌在裂缝修补中的自愈合作用，学者们研究了不同载体对细菌细胞的固定化作用。Jonkers等在混凝土基质中使用假芽孢杆菌的孢子而非营养细胞作为自愈剂来封闭裂缝。Tittelboom等对硅胶固化细菌进行了研究。浇筑时在水泥浆中加入薄铜板，在混凝土试样中制备了宽度为0.3 mm、深度为10 mm和20 mm的标准裂缝。通过劈裂试验，在直径80mm、高度75mm的混凝土圆柱体中创建了实际宽度为0.05 ～ 0.87mm的裂缝，并用于透水性试验。用硅胶固化细菌处理的样品在裂缝扩展和低透水性方面表现出了与环氧树脂处理样品相似的良好效果。陈润发等探究了高碱性环境下氧化铝（Al2O3）对微生物钙化的促进作用， 通过对不同裂缝宽度混凝土试件的修复对比研究，发现Al2O3能够改善碱性环境对细菌活性的抑制，提升其脲酶活性及CaCO3转化效率。添加Al2O3后，試件浸出液的pH值由12降为9， 当pH值为9时，其环境更适合菌种的繁殖，尿素利用率提升至81%， 显著提高了CaCO3的产出率， 并明显缩短了修复的时间。

Tziviloglou等人将载有细菌的愈合剂加入到轻质骨料中，与砂浆混合，并通过透水性测试评估开裂和暴露于两种不同愈合机制（水浸泡和干湿循环）后水密性的恢复情况。结果表明，当连续浸泡在水中时，试样的水密性的恢复没有实质上的改变。然而，在经受干湿循环时，含有愈合剂的试样的水密性恢复明显增加。Sharma等人论证了嗜碱性假芽孢杆菌在混凝土裂缝修复中的潜在应用，通过快速产生孢子和萌发，在体外和原位形成碳酸钙。李珠等以科式芽孢杆菌为自修复剂，利用其嗜碱特性，以膨胀珍珠岩为载体， 开发出一种新型自愈混凝土。Wiktor和Jonkers将细菌孢子（碱性芽孢杆菌）和乳酸钙的混合物嵌入膨胀的粘土颗粒中，作为混凝土中的自愈剂。其研究表明，细菌和钙源营养物在混凝土基质中作为双组分的愈合剂，会在裂缝形成时导致CaCO3沉淀。冯涛等开展了关于乳酸钙掺量对微生物自修复混凝土裂缝修复宽度、抗压强度等影响进行了研究，选用科氏芽孢杆菌作为自修复剂、以膨胀珍珠岩为载体，以乳酸钙为营养物质， 研制出了一种新型自愈混凝土。

3 结论与展望

目前，研究人员们已经研究并证实了生物矿化在裂纹修复中的潜力，并在混凝土裂纹的修复中取得了良好的效果。然而，基于微生物的混凝土裂缝愈合技术，在今后工程推广应用中还有很多问题需要进一步研究。如：裂缝修复后混凝土的耐久性、微生物裂缝修复技术所能修复的最大裂缝宽度，以及微生物修复的时效等问题都有待进一步的研究。此外，微生物修复技术目前尚不适用于水工建筑的裂缝修复，因此，如何将该技术扩大应用到有水流冲刷的部位，以及一些突发事故中的裂缝紧急修复等领域，这些都是亟待研究的热点问题。

参考文献：

[1]贾强，张鑫，侯宏涛，杨金彪. 微生物沉积碳酸钙修复混凝土裂缝的现场试验[J]. 建筑科学学报，2013，16（04）：667-672.

[2]钱春香，李瑞阳，潘庆峰，罗勉，荣辉. 混凝土裂缝的微生物自修复效果[J]. 东南大学学报（自然科学版），2013，43（02）：360-364.

[3]陈润发，缪林昌，孙潇昊，吴林玉，王呈呈. 微生物修复混凝土细小裂缝不同修复方法对比研究[J]. 硅酸盐通报，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

基金项目： 辽宁省级大学生创新创业训练项目（一种可及时修复裂缝自愈合混凝土构件）;项目编号：S202110148058

作者简介：吕茂桦（2000-），男，汉，本科生，河南省新乡人，单位：辽宁石油化工大学，研究方向：微生物混凝土

陆春光（1999-），男，汉，本科生，吉林省永吉人，单位：辽宁石油化工大学，研究方向：微生物混凝土