微生物矿化沉积自修复混凝土的应用研究

秦胜旺1 刘奎周2 陈果3 于家辉4 杨张梦然5 丁佳雨6

（湖北工业大学土木建筑与环境学院，湖北 武汉 430068）

自修复混凝土是智能混凝土[1]的一种，其修复方式可分为主动修复型和被动修复型。被动修复混凝土是在裂缝处通过涂抹修复剂进行修复。主动修复型混凝土是一种智能混凝土，即利用微胶囊或其他多孔材料在浇筑混凝土时同水、水泥和骨料一同搅拌养护。当混凝土开裂时，粘合剂从微胶囊中流出并固化以修复裂缝[2]。本文主要论述主动修复型混凝土在装配式结构中的应用。随着装配式结构的推广，掺有微生物的混凝土构件在工厂流水生产，既能保证构件质量和降低成本，还能使混凝土具有自修复微裂缝特性。但是，在掺有微生物的混凝土投入生产和使用之前存在如下几个问题：自修复技术填补裂缝效果尚未得到充分验证，其次，修复效果和力学性能往往不能兼顾，因此需要确定合适的微生物和载体掺量，保证混凝土的性能，以确保结构的安全。

一、自修复混凝土的研究现状

理想的自修复混凝土自修复机理或自愈组件应满足以下特点[3]：1.可实时监测混凝土，对新产生的裂缝准确定位并进行及时修复；2.必须与混凝土基质材料相容，不能给混凝土的性能产生不利影响；3.它是混凝土中水泥基材料的组分部分之一，可以积极修复；4.能长期维持其修复裂缝的功能；5.它起着催化剂的作用，在裂缝修复过程中不会被消耗；6.具有合理的经济性。生物矿化是生物通过调节生物大分子进而产生无机矿物的过程。胶结砂、水泥基材料缺陷修复和表面保护都在使用某些特定菌株在其生长繁殖过程中产生脲酶。连续分解环境中的尿素形成CO32-，而带负电荷的水溶性有机物在细胞膜界面不断螯合环境中 Ca2-。整个反应如下[4]：

但是，这种修复机制仍然需要外部能量的持续供应，并且不能自动适当地进行响应。此外还会产生刺激性气体NH3，这会污染环境。目前对于微生物修复混凝土的研究主要采用巴氏芽孢杆菌加入砂浆中，利用细菌产生的碳酸钙来修补裂缝，其相应的矿化机理发生了改变，经研究整个反应如下[5]：

细菌在产生碳酸钙过程中，需要不断从外界获取钙源。有研究使用氯化钙和乳酸钙作为钙源。然而，氯化钙中含有氯离子，会减少结构的使用寿命。鉴于此，乳酸钙就作为了混凝土中微生物矿化所必需的营养物质。研究发现，随着乳酸钙量的增加，混凝土的裂缝自修复能力显现出先升后稳的趋势，当乳酸钙量为胶凝材料质量分数的1.75%时，混凝土裂缝的最大修复宽度达到最大[6]。

在混凝土的自修复裂缝过程中，微生物载体所起的作用如下：首先是携带固定的微生物和营养物质以避免损失达不到修复效果；二是为微生物生长代谢提供微观环境，同时减少碱性环境的影响，缩小空间，保持细菌活性。因此，微生物载体的合理选择是成功实施混凝土裂缝修复的关键[7]。理想微生物载体应具有以下特点：（1）良好的生物相容性：对细菌活性影响小、无毒害。（2）高容纳性：保证能足量的微生物或底物。（3）优良物理化学稳定性。（4）良好的生物惰性：耐微生物分解。（5）良好的抗冲耐磨性：它在搅拌水泥浆混凝土期间抵抗搅拌力。（6）良好的力学特性：载体的添加不会导致混凝土基体的强度和其他性能损失。（7）良好的传质性能。同时地，微生物固载技术孕育而生。微生物固载技术是指在载体上固定微生物，使其产生一个适宜细菌的微环境。固载技术是一种现代生物技术，在正确的条件下添加以满足应用需求。载体上的细菌固定使用的方法主要有吸附、交联、包埋和自固定。

二、自修复混凝土载体的研究现状

微生物载体材料发展到现在可分为天然载体和合成载体。天然载体有硅藻土、海藻酸钠、琼脂等；合成载体有陶粒、膨胀黏土、微珠、微胶囊等。人造无机载体材料通常具有较高强度、高孔隙率、对微生物无毒性、抗微生物分解和长寿命。但是，合成凝胶具有较差的抗冲击性和耐磨性以及传质性能。从目前这一领域的应用来看，还存在一些进一步研究的问题，有待研究出与环境相容性好、传质阻力小和对混凝土的力学性能影响小且价格低廉的一种微生物载体。

微生物裂缝自修复混凝土具有优良的裂缝自修复效果，但同时力学性能无法兼顾。研究发现混凝土中掺入载体材料是导致混凝土力学性能下降的主要原因。当选用膨胀珍珠岩作为载体材料时，混凝土的抗压强度随着膨胀珍珠岩数量增多而逐渐减小[8-9]。为了弥补强度的损失，经研究发现，可在混凝土内掺入7%的硅灰；在固定28d后，膨胀珍珠岩作为修补载体的混凝土最大修复宽度达到了0.56mm，是普通混凝土最大修复宽度的2.2倍[10]；随着微胶囊质量分数的增加，复合材料的累积孔容减少，水泥基复合材料的耐久性在一定程度上得到改善[11]。

三、微生物裂缝自修复混凝土在装配式结构中需解决的问题

1.因微生物及相应载体的加入，需对混凝土原材料的选择和配合比设计应重新考量。

2.确定一种微生物和载体材料对力学性能和耐久性影响最小及裂缝修复效果最佳，需要通过正交试验来设计。

3.对微生物裂缝自修复混凝土的力学性能和耐久性进行综合分析，选出综合的最佳微生物和载体的掺量。