微生物用于海洋混凝土裂縫自修復的研究進展

孫 玉，水中和，余 睿，郭 東，張小芬

(1.武漢理工大學硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室，武漢 430070；2.海軍工程設計研究院，北京 100070)

混凝土作為現(xiàn)代土木工程建設中不可替代的大宗建筑材料，在基礎建設設施中起著不可或缺的作用?；炷猎陂L期使用過程中會出現(xiàn)裂縫，從而影響其耐久性。修復混凝土裂縫近年來逐漸成為熱點。一種新型的自愈混凝土——微生物自修復混凝土因其誘導微生物生成的碳酸鈣與水泥基材料具有良好的相容性，并且具有環(huán)境友好性，近年來受到愈來愈多人的關(guān)注，也表現(xiàn)出了良好的前景。

近年來，海洋工程建設得到了很大發(fā)展。海洋工程混凝土因其特殊的環(huán)境，除了在長期使用下造成的問題外，還有海洋中微生物與其的相互作用造成的微生物腐蝕。海洋中微生物種類豐富，若將其應用于海洋混凝土的修復中，則取之海洋，用之于海洋工程混凝土，體現(xiàn)了混凝土發(fā)展的生態(tài)友好性。

1 微生物與海洋工程混凝土間的相互作用關(guān)系

海洋中的微生物眾多，海洋工程混凝土因長期浸泡在海水中，微生物與海洋工程混凝土之間存在著相互作用關(guān)系。對海洋工程混凝土來說，微生物對其的污損作用主要表現(xiàn)在：微生物接觸放入海水中的物體，十幾分鐘內(nèi)富集一層有機物，首先是單層的聚合物材料，這層膜稱為調(diào)節(jié)膜，調(diào)節(jié)膜的形成促進了細菌等的吸附，細菌等逐漸吸附形成基體膜，初始細菌吸附是一個可逆的過程，細菌可被水流沖刷掉。這層膜改變了物體表面的性質(zhì)，特別是靜電荷及潤濕度，它是生物膜進一步發(fā)展的基礎；時間較長之后，細菌等與物體之間形成牢固的粘著，附著的菌類和藻類為提高自身及與材料表面間的固著能力，會繼續(xù)分泌新的胞外多聚物(extracellular polymeric substance,EPS)，從而形成一層生物膜；生物膜可進一步促使大型污損生物的附著生長，形成了宏觀生物污損[1]。而微生物的附著也可能是趨向性的或是隨機運動造成的，部分吸附著的微生物還會由于自身的運動或水體的動力學方面的因素而脫離附著點[2]?；w膜厚度僅為5～10 nm，生物膜厚度一般為2～3 μm，最厚達500 μm[3]。微生物的附著具有選擇性，則微生物膜的形成具有可控性，這對以后的研究具有參考價值。

微生物對混凝土的破壞作用主要表現(xiàn)在：無機酸、有機酸引起的腐蝕破壞；生成絡合物引起的破壞；鹽應力引起的破壞；生物膜引起的腐蝕破壞；胞外酶和乳化劑引起的破壞；H2S、NO和NO2引起的腐蝕破壞。對于海洋工程混凝土來說，藤壺、牡蠣等大型污損生物生命活動產(chǎn)生的酸類物質(zhì)與混凝土中的Ca(OH)2發(fā)生反應，生成石膏，進而與混凝土中的C3A水化產(chǎn)物反應生成鈣礬石，造成體積膨脹，促進混凝土的開裂[4]。生物膜在混凝土表面的存在也可影響傳質(zhì)過程，對混凝土腐蝕的動力學過程產(chǎn)生影響，這也是對混凝土的一種正作用。

2 微生物修復混凝土裂縫機理

應用微生物來修復海洋工程混凝土裂縫的研究較少，現(xiàn)有的研究大部分為用微生物用于普通環(huán)境下混凝土的研究。對于普通環(huán)境下的混凝土來說，對于需要進行修復的混凝土裂縫，經(jīng)常采用的措施有表面封閉法、堵漏法和結(jié)構(gòu)補強加固法等這些傳統(tǒng)的方法。但這些傳統(tǒng)方法存在著明顯的不足之處，也逐漸在被新的方法占領(lǐng)市場。微生物自修復混凝土作為一種對環(huán)境不產(chǎn)生危害的方法漸漸得到研究者的關(guān)注。

微生物在特定的環(huán)境及營養(yǎng)條件刺激下，快速析出多種礦物結(jié)晶，如碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物以及胞外聚合物等。碳酸鈣沉積一定程度上可填補混凝土開裂造成的裂縫，對于混凝土的耐久性具有有益的作用。微生物引起碳酸鈣沉積過程主要如下

3 國內(nèi)外微生物自修復研究現(xiàn)狀

3.1 國內(nèi)外所選菌種及效果

目前對于微生物修復混凝土的研究主要采用巴氏芽孢桿菌[5-8]加入砂漿中，利用細菌產(chǎn)生的碳酸鈣來修補裂縫。下面從國內(nèi)外不同課題組所做的研究中來具體看各類菌種的修復效果。

Bang[11,12]研究了厭氧菌Bacillus pasteurii對碳酸鈣的誘導沉積作用。Bang的研究表明，營養(yǎng)液中存在著pH值的動態(tài)平衡，這為細菌的生長提供了有益的條件。雖然所選菌種為耐堿性菌種，但因細菌生長存活有一定的pH值范圍。細菌的作用包括生成脲酶分解尿素，也為碳酸鈣的沉積提供成核地點，碳酸鈣表面依附著細菌。

荷蘭代爾夫特大學的Jonkers H M[13,14]用好氧型耐堿芽孢桿菌(Bacillus pseudofirmus DSM 8715& Bacillus cohnii DSM 6307)取代厭氧桿菌，和培養(yǎng)基摻入混凝土材料，混凝土內(nèi)部的高堿性使得細菌處于休眠孢子狀態(tài)，而一旦混凝土開裂，氧氣和水分進入，使細菌恢復其新陳代謝功能，細菌代謝產(chǎn)生CO2，在濕潤環(huán)境中與水泥基材料中的鈣離子反應生成碳酸鈣。Sierra Beltran M G等[15]采用嗜堿細菌和硅酸鈉(作為細菌的緩沖劑)來進行實驗室測試，發(fā)現(xiàn)硅酸鹽基質(zhì)在混凝土裂縫中產(chǎn)生了凝膠，這種凝膠提高了混凝土的愈合速度，提供了細菌礦化生成碳酸鈣的最適宜條件。好氧菌在裂縫開裂時，在環(huán)境中含有氧氣的條件下在試件內(nèi)部發(fā)生代謝，最終生成碳酸鈣沉積在裂縫中。

微生物在混凝土中存活，需要一定的空間以及生存所必須的營養(yǎng)物質(zhì)。因微生物添加到混凝土中，作為混凝土裂縫修復中起到誘導礦化作用生成碳酸鈣的重要部分存在，那么微生物的存活的重要性不言而喻。若直接把微生物加入混凝土中，那么在混凝土攪拌過程中，攪拌鍋內(nèi)扇葉的旋轉(zhuǎn)會影響微生物的存活率。選擇固載物質(zhì)來保護菌體不在混凝土攪拌過程中受到力的作用致死，并且在混凝土成型之后，為微生物的生長提供一定的生存空間，顯得至關(guān)重要。

3.2 固載物質(zhì)的選擇

比利時的Ghent大學的Belie N D[16]認為僅有菌液的狀態(tài)下并不能生成足量的碳酸鈣，他使用硅凝膠(silica sol)將細菌固載，在尿素和CaCl2的混合液中進行浸泡，與傳統(tǒng)修復方式相比，滲透率最低，效果較好。Ghent大學的Wang Jianyun等[17]采用聚氨酯(polyurethane)和硅膠(silica gel)固載菌株，結(jié)果表明硅膠中固載系統(tǒng)碳酸鈣含量為25%，高于聚氨酯固載系統(tǒng)的碳酸鈣含量11%。Bang等[18]采用聚氨酯固載菌株，試件7 d強度可提高12%，28 d強度可提高3%。隨后比較了四種固載體包括：石灰石、硅灰、粉煤灰和聚氨酯，結(jié)果表明聚氨酯的固載效果最好，試件強度提高最大[19]。Bang[20]又用SiranTM燒結(jié)多孔玻璃屑固載菌株，28 d抗壓強度提高24%，而且由于其多孔性，固載菌株數(shù)量最多。

東南大學的王劍云等人[21]采用海藻酸鈉作為載體固載菌株，其二價以上鹽包括Ca2+和Al3+為水不溶性鹽可形成耐熱凝膠和被膜，外在表現(xiàn)為海藻酸鈉經(jīng)Ca2+溶液鈣化形成固定化凝膠。固載過程為：先在水泥石表明涂抹一層高濃縮菌液(109cells/ml)，風干后涂抹一層海藻酸鈉溶液，將菌株固定，然后滴加反應混合液。試驗表明在海藻酸鈣凝膠創(chuàng)造的環(huán)境中，可在水泥石表面生成與水泥石粘結(jié)緊密連續(xù)均勻的碳酸鈣層。覆膜后表面吸水系數(shù)降低一個數(shù)量級左右，抗?jié)B性明顯提高。錢春香等人[22]采用瓊脂固載碳酸酐酶細菌，在表面裂縫寬度小于100 μm時，基材毛細吸水系數(shù)可下降至86%，而當裂縫增大到100 μm以上時，修復效果很差甚至無效。

3.3不同覆膜工藝的比較

王瑞興[23]等人對菌液浸泡法、噴涂、固載涂刷等不同的微生物覆膜工藝進行了試驗，具體結(jié)果見表1?？煽闯鲇铆傊梯d涂刷覆膜修復效果最佳。

表1 不同覆膜工藝效果的比較[23

3.4修復效果的表征方法

微生物的愈合效果一般可通過光學顯微鏡來對裂縫的填充效果直接進行評估。Jonkers H M[24]采用了環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察了生成的菱形方解石的不同的晶體形貌。而Wang JY[25]則采用了SEM來表征菌種被礦化生成產(chǎn)物的晶體形貌。通過光學顯微鏡只能研究裂縫的幾個位置，主要是對試件表面裂縫的觀測。也有間接通過透水性[26]及強度恢復率、裂縫寬度修復率[27,28]進行評估，也包括表面吸水系數(shù)、毛細吸水系數(shù)表征方法。對試件裂縫修復總體效果的評估通過強度恢復率及透水性等。

4 海洋工程混凝土裂縫修復研究現(xiàn)狀

目前自修復混凝土研究一般針對普通環(huán)境下混凝土，對海洋環(huán)境下混凝土少有涉及。海洋工程混凝土裂縫修復的方法有電沉積法[29-31]。在海水中放置陽極，以帶裂縫的海工混凝土中的鋼筋為陰極，在電流作用下正負離子分別向?qū)膬杉壱苿映练e，從而修復混凝土裂縫。但這項技術(shù)目前的研究很少，海工混凝土用微生物修復裂縫的研究更鮮有報道。

5 結(jié) 語

總結(jié)國內(nèi)外微生物修復混凝土技術(shù)可以看出，微生物修復技術(shù)能夠有效提高混凝土的耐久性，并且具有環(huán)境友好性，符合混凝土的綠色化發(fā)展要求。已有的研究主要針對處于大氣中的混凝土，取得了較好的效果。但將微生物用于修復海洋工程混凝土裂縫是否可行亟需驗證。主要問題有：是否能找到可修復混凝土的菌種亟待探索、如何將海洋中的微生物利用在混凝土上、在海工混凝土環(huán)境下微生物是否能發(fā)揮應有的作用等。將微生物真正應用于海洋工程混凝土的裂縫修復這條路任重而道遠，亟待以后的探索研究。

[1] 許鳳玲. 海洋生物膜的電活性及其在微生物燃料電池中的應用基礎研究[D]. 青島：中國科學院海洋研究所, 2009.

[2] 杜建波,尹衍升,滕少磊,等.海洋微生物腐蝕研究進展[J].山東冶金,2007(s1):1-3.

[3] 藺存國.海洋污損生物惰性附著材料的設計與構(gòu)筑[D].青島：中國海洋大學,2013.

[4] 宋永香,王志政.海洋生物及其粘附機理——微生物、小型海藻、巨型海藻、貽貝[J].中國膠粘劑,2002,11(4):48-52.

[5] Jonkers H M.Bacteria-based Self-healing Concrete[J].Heron,2011,56:195.

[6] Beltran M G S,Jonkers H M.Crack Self-healing Technology Based on Bacteria[J].Journal of Ceramic Processing Research,2015,16:s33-s39.

[7] 趙 茜.微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)固化土壤實驗研究[D].北京：中國地質(zhì)大學(北京),2014.

[8] Jonkers H M,Thijssen A,Muyzer G,et al.Application of Bacteria as Self-healing Agent for the Development of Sustainable Concrete[J].Ecological Engineering,2010,36(2):230-235.

[9] 錢春香,李瑞陽,潘慶峰,等.混凝土裂縫的微生物自修復效果[J].東南大學學報(自然科學版),2013,43(2):360-364.

[10] 張 越.微生物用于砂土膠凝和混凝土裂縫修復的試驗研究[D].北京：清華大學,2014.

[11] Stocks-Fischer S,Galinat J K,Bang S S.Microbiological Precipitation of CaCO3[J].Soil Biology & Biochemistry,1999,31(11):1563-1571.

[12] Bang SS,Galinat J K,Ramakrishnan V.Calcite Precipitation Induced by Polyurethane-immobilized Bacillus Pasteurii[J].Enzyme & Microbial Technology,2001,28(4-5):404-409.

[13] Jonkers H M. Self Healing Concrete: A Biological Approach[M].Dordrecht:Springer, 2007.

[14] Jonkers H M,Thijssen A,Muyzer G,et al.Application of Bacteria as Self-healing Agent for the Development of Sustainable Concrete[J].Ecological Engineering,2010,36(2):230-235.

[15] Beltran M G S,Jonkers H M.Crack self-healing Technology Based on Bacteria[J].Journal of Ceramic Processing Research,2015,16:s33-s39.

[16] Belie N D, Muynck W D. Crack Repair in Concrete Using Biodeposition[A]. 2nd International Conference on Concrete Repair, Rehabilitation, and Retrofitting (ICCRRR)[C].Cape Town, South Africa：CRC Press,2008.291-292.

[17] Wang J,Tittelboom K V,Belie N D,et al.Use of Silica Gel or Polyurethane Immobilized Bacteria for Self-healing Concrete[J].Construction & Building Materials,2012,26(1):532-540.

[18] Bang S S, Ramakrishnan V. Microbiologically-Enhanced Crack Remediation (MECR)[A]. Proceedings of International Symposium on Industrial Application of Microbial Genomes[C]. Korea:[s.n.],2001.3-13.

[19] Day J L, Ramakrishnan V, Bang S S. Microbiologically Induced Sealant for Concrete Crack Remediation[A]. Proc. of 16th ASCE Engineering Mechanics Conference[C].Seattle: University of Washington,2003.1-8.

[21] 王劍云,錢春香,王瑞興,等.海藻酸鈉固載菌株在水泥基材料表面防護中的應用研究[J].功能材料,2009,40(2):348-351.

[22] 任立夫,錢春香.碳酸酐酶微生物沉積碳酸鈣修復水泥基材料表面裂縫[J].硅酸鹽學報,2014,42(11):1389-1395.

[23] 王瑞興,錢春香,王劍云,等.水泥石表面微生物沉積碳酸鈣覆膜的不同工藝[J].硅酸鹽學報,2008,36(10):1378-1384.

[24] Wiktor V,Jonkers H M.Quantification of Crack-healing in Novel Bacteria-based Self-healing Concrete[J].Cement & Concrete Composites,2011,33(7):763-770.

[25] Wang J Y,Soens H,Verstraete W,et al.Self-healing Concrete by Use of Microencapsulated Bacterial Spores[J].Cement & Concrete Research,2014,56(2):139-152.

[26] Wang J Y,Snoeck D,Vlierberghe S V,et al.Application of Hydrogel Encapsulated Carbonate Precipitating Bacteria for Approaching a Realistic Self-healing in Concrete[J].Construction & Building Materials,2014,68(68):110-119.

[27] Jonkers H M,Thijssen A,Muyzer G,et al.Application of Bacteria as Self-healing Agent for the Development of Sustainable Concrete[J].Ecological Engineering,2010,36(2):230-235.

[28] Paassen L A V,Daza C M,Staal M,et al.Potential Soil reinforcement by Biological Denitrification[J].Ecological Engineering,2010,36(2):168-175.

[29] Otsuki N,Hisada M,Ryu J,et al.Rehabilitation of Concrete Cracks by Electrodeposition[J].Concrete International,1999,21.

[30] Otsuki N,Ryu J S.Use of Electrodeposition for Repair of Concrete with Shrinkage Cracks[J].Journal of Materials in Civil Engineering,2001,13(2):136-142.

[31] Ryu J S,Otsuki N.Crack Closure of Reinforced Concrete by Electrodeposition Technique[J].Cement & Concrete Research,2002,32(1):159-164.