1、混凝土材料微生物修復技術研究進展俞小彤 港航直博一年級 150803020001摘要：混凝土其最大的缺點是表面及內部容易產生微裂縫。微生物誘導碳酸鹽沉積被認為是一種有效的微生物修復混凝土的策略，目前已逐漸引起人們的關注。在闡述了混凝土裂縫自修復機理的基礎上，對近年來利用微生物的碳酸鹽沉積作用修復混凝土方面的研究現狀和成果進行了系統的綜述，并對未來該領域有待解決的一些問題提出建議。關鍵詞：微生物礦化；混凝土；自修復0 引言混凝土因其具有牢固結實、耐久性高、價格相對低廉等特點被廣泛應用于現代建筑工程。但是在大規模的使用過程中，一些問題也逐漸混凝土在大規模使用的過程中，一些問題也逐漸的凸現出來，其抗

2、拉性能一般較差，在制備過程以及使用期間，由于荷載或環境等因素的作用，其表面容易產生疏松、剝落等缺陷，甚至在材料內部產生微裂縫。這些缺陷若不及時修復，外界水和侵蝕性介質將不斷滲入，銹蝕鋼筋，最終將引起混凝土力學性能、耐久性能的加速劣化。因此，對混凝土結構采取有效的措施進行裂縫修復，提高其各方面性能，對保證結構的安全性和提高使用壽命具有重要的意義?；炷帘砻媾c內部缺陷修復已成為一個重要的獨立行業，許多混凝土表面防護涂料和裂縫修補材料不斷問世，如：環氧類樹脂、水泥基滲透結晶型材料、聚合物砂漿、以及高分子灌漿材料等。這些材料在混凝土缺陷修復中發揮了重要作用，但是如何解決這些修復防護有機材料與水泥基材料

3、的相容性，進一步提高其抗老化性能和耐久性能，增強其環境友好性，一直是眾多研究者們致力突破的研究方向。自從發現某些土壤細菌具有誘導碳酸鈣晶體沉積的能力后，Gollapudi 等1在1995年首次嘗試利用細菌誘導碳酸鈣沉積對建筑基質滲漏進行控制，由此為混凝土的修復開辟了一條新的途徑，受到國內外研究者的廣泛關注。1 微生物礦化作用自修復混凝土機理微生物成礦學的最新進展表明，在特定的環境以及營養條件刺激下，巖土中一些微生物通過新陳代謝或降解作用能顯著快速析出多種礦物結晶，如碳酸鹽、磷酸鹽、氧化物、硫化物、硅華以及胞外聚合物等2。其中一項最新科學發現表明，地球土壤中的某些細菌，如巴氏芽孢八疊球菌(Spo

4、rosarcina pasteurii) 擁有將松散砂粒膠凝固定在一起的神奇本領3。其利用反應環境中的尿素等有機物以及鈣離子源，較快的析出具有良好膠凝性質的碳酸鈣結晶，這一技術被稱為MICP(Microbial Induced Carbonate Precipitation)技術。MICP技術的基本原理如圖1.1所示：潮濕環境中，微生物新陳代謝生成脲酶，脲酶水解尿素會產生銨根離子和碳酸根離子。細菌細胞膜界面處帶負電荷的有機質不斷螯合鈣離子，與水解尿素生成的碳酸根離子緩慢礦化沉積出具有膠凝作用的碳酸鈣結晶，如圖1.2所示。微生物在此間的作用，不僅僅是生成了脲酶，而且為碳酸鈣的沉積提供了成核地點4

5、。微生物引起的碳酸鈣沉積中發生的復雜的化學反應可以簡化為：CO(NH2)2 + 2H2O CO32- + 2NH4+ (微生物降解)Ca2+ + Cell Cell-Ca2+Cell-Ca2+ + CO32- Cell-CaCO3 (微生物成因水泥)圖1.1 MICP技術生成碳酸鈣結晶流程圖圖1.2 MICP技術生成碳酸鈣結晶示意圖4微生物誘導的碳酸鈣沉積技術近年來引起了學者在諸多領域的探索，其可以應用于土壤中重金屬和放射性物質的降解5、減緩沿海沿江地區海水入侵與土壤鹽堿化6、重大文物古建挽救修復7、地基土的加固8、改善土建基礎設施安全與耐久性等諸多領域，提供一種嶄新的工程技術方法。2 微生物

6、修復混凝土的影響因素2.1 菌種不同類型的微生物對營養物質的代謝能力各不相同，在誘導碳酸鈣形成和混凝土修復效果方面也會有所差異。Boquet等9發現大多數細菌在適宜的條件下都能產生方解石晶體。Stocks-Fischer等10將巴氏芽孢桿菌（Bacillus pasteurii）注入砂柱，結果表明菌體能在砂礫中作為成核位點并誘導CaCO3以方解石晶體的形式沉積，同時試件的抗壓強度也有所提高。Ghosh等11使用希瓦氏菌（Shewanella）進行提高水泥抗壓強度的研究，培養28d后發現，水泥凈漿的抗壓強度提高了25%，而加入大腸桿菌的試件的抗壓強度沒有什么變化。而Achal等12則利用從水泥中

7、分離出的Bacillus sp.CT-5在水泥砂漿中進行混凝土自修復研究，28d后水泥砂漿的孔隙率下降了50%以上，水泥中氯離子的滲透明顯減少，與砂漿試件的抗壓強度相比提高了40%，比Ghosh的研究結果高出了15%。De Muynck等13利用球形芽孢桿菌（Bacillus sphaericus），將石灰試件放入含有尿素和氯化鈣的礦化培養基中進行礦化沉積試驗，5d后在石灰試件裂縫表面有檢測到50m菱形方解石晶體生成，試驗試件整體重量增加了0.31.1 g，與未處理的石灰試件相比，試驗組的樣品試件水滲透性明顯下降。Rivadeneyra等14則研究了中度嗜鹽菌（Halmonas eurihal

8、ina）對碳酸鹽的沉積作用發現礦物沉積受多種因素影響?？梢姡煌奈⑸镌谔妓徕}晶體形成時間、大小形態及混凝土修復后抗壓性、吸水性、滲透性等方面都存在明顯差異。考慮到混凝土的高堿性環境，用于混凝土自修復的微生物大多為嗜堿菌15。2.2 Ca2+源微生物修復混凝土裂縫主要是形成CaCO3來達到修復的目的，因此微生物自修復混凝土裂縫的過程需要提供可溶性鈣鹽作為碳酸鈣沉積的前體。王瑞興16將CaCl2溶液加入到己培養24h的無Ca2存在的巴氏芽孢桿菌菌液中，發現迅速產生沉淀，將其過濾、烘干，沉淀呈白色細狀粉末，能譜分析沉淀物質主要含有C、O、Ca三種元素。X射線衍射分析結果顯示沉淀物質為CaCO3，

9、屬方解石晶型，掃描電鏡（SEM）觀測CaCO3顆粒呈規則球形，直徑介于110m之間，分布均勻。李沛豪等17在研究細菌誘導碳酸鹽礦化沉積功能時，將經過養護處理的混凝土試件分別放入含有Ca(CH3COO)2與CaCl2的菌液培養基中進行礦化沉積試驗后發現，鈣源與碳酸鈣晶體的形態形成有關。當鈣源為CaCl2時，沉積晶體為方解石及球文石的混合體；鈣源為Ca(CH3COO)2時，沉積晶體主要為球文石。有學者用Ca(NO3)2作為Ca源進行CaCO3沉積試驗發現除了形成方解石外，還出現了球霰石18。同時為了探究Ca2+濃度對微生物沉積CaCO3的晶型是否有影響，將外摻Ca2+濃度由2mol/L降至1mol

10、/L時，所得CaCO3晶體仍為方解石晶型，結晶顆粒形狀卻由規則球形變為直徑10m左右的花簇形，不僅體積變大，結晶度也有所提高。而De Muynck13以CaCl2為鈣源，研究了濃度分別為12.5、25、50和100g/L的CaCl2對微生物在石灰巖上沉積碳酸鈣效果的影響，培養若干天后，與未經處理的石灰巖試件相比，在經過處理的試件表層可以清楚的觀察到礦物晶體，如圖2.1。可見，鈣離子的種類和其濃度都對碳酸鈣的沉積有一定影響。圖2.1 未處理的石灰巖表面與用球狀桿菌和含不同濃度CaCl2的礦化培養基處理的試件SEM圖2.3 培養基成分微生物自修復混凝土裂縫的研究中，在選擇底物上，首先，底物不能對混

11、凝土的強度和耐久性有很大影響；其次，底物必須能和微生物反應，可以被細菌代謝產生碳酸鈣晶體，愈合裂縫。大多數學者除了選擇酵母粉、蛋白胨、谷氨酸鹽、乳酸鈣等為微生物礦化所需基本的營養成分外，基本上都是選擇尿素作為主要的代謝反應底物，添加氯化鈣來沉積碳酸鈣。De Muynck等19將球形芽孢桿菌與經過養護的混凝土小試件混合，分別放入含有不同成分的尿素培養基中，6d后發現，與對照組相比，在分別含有氯化鈣與氯化鈣-營養肉湯成分的營養培養基中都發現了礦化結晶。SEM結果顯示，前者在裂縫表面形成的晶體為菱形，主要為方解石；后者形成的晶體形態為顆粒形，主要是球霰石。然而Jonker等20認為當混凝土出現裂縫時

12、，以尿素為反應底物的修復體系在礦化過程中會產生大量的氨而增加混凝土鋼筋腐蝕的風險，而且氨溢出到空氣中也會給大氣環境造成一定的壓力，因此建議使用乳酸鈣作為反應底物替代尿素。他們利用Bacillus pseud ofirmus在水泥試件裂縫表面檢測到了2080m的碳酸鈣沉積物，而且8d后試件強度不僅沒有降低，相對于基準試件反而有適度提高。2.4 pH值環境中的pH可以通過引起細胞膜電荷的變化影響微生物對營養物質的吸收，從而對微生物的礦化過程產生影響。有學者將巴氏芽孢桿菌與砂石混合成泥漿放入玻璃圓柱，并在其中插入毛細管制造斷裂面，然后將其放入裝有礦物培養基的容器中進行沉積防滲漏試驗，結果發現在形成碳

13、酸鈣堵塞裂縫的過程中反應體系的pH 與CaCO3沉積有一定關系10。他們推測在培養基中，單個微生物由于酶的尿素水解產生氨，在細胞外創造了一個堿性的微環境。細胞周圍的高pH導致了CaCO3晶體的出現。當細胞濃度過低時，單個微生物就會充當CaCO3形成的成核位點，由于微生物的活動，當方解石在成核位點上開始沉淀時，CaCO3晶體的生長將引起pH的升高，CO2的產生和細胞表面與鈣離子的結合。分析原因是因為在初始堿性pH的條件下，隨著微生物代謝生命活動的進行，產生了大量的NH+4 或OH-，導致溶液的pH上升，當pH達到一定的值時，開始出現沉積物10,21。Dick等20在研究修復劣化的石灰巖過程中發現

14、，球形芽孢桿菌（B. Sphaericus）和遲緩芽孢桿菌（B. Lentus）的尿素代謝驅動碳酸鈣沉積。反應開始的4h，B. Sphaericu組的pH達到(8.4±0.1)，16h后，pH則慢慢地上升到(9.0±0.2)。B. Lentus組pH最后也達到(8.0±0.6)。伴隨著pH的上升，最終使得碳酸鈣發生沉淀。王瑞興等18在微生物沉積碳酸鈣研究中發現，雖然pH由7.0至9.0和由9.0至8.0時獲得的沉積物都為方解石，但前后試驗所形成的顆粒形貌卻發生了明顯的改變，說明pH的變化不僅對碳酸鈣的形成有很大的決定作用，同時對其形態的多樣性也有一定的影響。混凝土

15、材料整體呈堿性狀態，pH在1113之間，而且由內向外呈線性遞減規律。越深入混凝土內部，pH 越高，對微生物活性的影響越大，其礦化能力也會受到約束甚至抑制。因此要實現混凝土內部微裂縫的微生物修復，微生物本身在高pH環境下能否保持較高的礦化活性十分重要。錢春香等23在對混凝土裂縫的微生物修復效果進行研究后發現，40d左右時裂縫表面處被碳酸鈣晶體完全填充。裂縫開口處礦化形成的碳酸鈣最多，且隨著裂縫深度的增加碳酸鈣卻在逐漸減少，當混凝土裂縫深度超過10mm時未發現微生物誘導形成的碳酸鈣。2.4 其他因素影響微生物沉積碳酸鈣的自修復體系是一個精細復雜的過程，除了受上述幾個主要的影響因素外，也還受其他因素

16、如溫度、微生物濃度等的影響。為了考察溫度對碳酸鈣生物誘導沉積的影響，有學者利用菌株A設立了5、25、50三個溫度進行CaCO3沉積試驗，SEM顯示，5條件下沉積出的CaCO3結晶不好，團聚且無定形；50下沉積出了大量球霰石CaCO3晶型，晶體呈球形、方形、紡錘形等多種形態，而常溫25下晶體的穩定性較差18。Bang等23則在試驗中將濃度為5×107、5×108、5×109cfu/mL的巴氏芽孢桿菌分別摻入到水泥砂漿中進行修復及抗壓強度試驗，結果發現，雖然三種濃度的細菌都能有效修復試件裂縫，但細菌濃度為5×109cfu/mL的試件在培養7d后抗壓強度比其他

17、兩種菌濃度的效果更好。3 結論與展望近幾年，微生物自修復混凝土研究已經成為土建材料領域的研究熱點，也取得了不少令人振奮的成果。然而，真正將混凝土的微生物自修復技術工業化還需要很長時間，有一系列的問題亟待解決。首先，在菌種方面，微生物除了要能高度適應混凝土內部的高堿環境外，產芽孢性能也是十分重要的，因為用于混凝土裂縫自修復的微生物必須在混凝土制備階段以休眠體的形式包埋在混凝土中，因此如何確保芽孢在混凝土硬化過程中的保持潛在活性是至關重要的。荷蘭的Jonker等20將嗜堿性芽孢桿菌的芽孢直接摻入混凝土，結果發現隨著混凝土的固化，最后存活下來的芽孢量大幅減少，原因是在混凝土水化過程中，混凝土基材的孔

18、隙直徑會不斷縮小，致使嵌入混凝土中的芽孢被擠碎，導致混凝土自修復活性的失效。為了保證混凝土中芽孢的存活，國內外學者嘗試利用一些多孔載體如PU、硅藻土、海藻酸鈉、黏土顆粒等作為芽孢的保護性載體再摻入混凝土。相較于直接摻入，使用載體能更有效地對微生物進行保護。但在選擇載體時，還需要綜合考慮載體材料對微生物活性和混凝土強度的影響以及造價成本等方面的問題。此外，微生物載體的摻量有可能對混凝土本身結構性能的穩定性產生不良影響，有報道提出微生物載體的摻入量不宜超過混凝土總量的8，但具體的量及效果如何還有待進一步考查。其次，包埋在混凝土內部的芽孢必須在裂縫出現時迅速復蘇成營養細胞才能誘導碳酸鈣的沉積。因此如

19、何有效地激活芽孢，使其快速萌發為營養體實現對混凝土內部裂縫的自修復也是一個值得深入研究的問題。同時，芽孢復蘇后需要提供營養物質供其生長，以往一些研究者使用的底物是尿素，但該過程會釋放氨，不僅對混凝土內部鋼筋造成腐蝕，還會污染環境。還有研究者使用乳酸鈣，但乳酸鈣價格相對較高，不利于工業化實際應用。因此，選擇合適且成本相對廉價的底物十分重要。從目前的研究報道來看，微生物僅僅能修復開口小而淺的裂縫。Belie等24-26將細菌加入硅藻土并摻入砂漿試件后可以修復0.150.17mm的裂縫，并且吸水率較基準件下降70%。Wiktor等27將膨脹黏土顆粒負載一種耐堿芽孢桿菌摻入水泥砂漿試件中，100d后所

20、能愈合的最大裂縫尺寸為0.46mm。Achal等12最新的研究將微生物能修復的水泥試件的最大裂縫深度擴展到27.2mm，是一個較大的突破。但一般而言，一旦裂縫過大，單純微生物修復的效果目前還難以令人滿意。總之，利用微生物實現對混凝土裂縫自修復是一項環境友好型新技術。雖然目前這方面的研究還處于起步階段，但隨著研究工作的深入，相信這項新技術的應用前景將會十分廣闊。參考文獻1 Gollapudi U K, Knutson C L, Bang S S, et al. A new method for controlling leaching through permeable channelsJ. C

21、hemosphere, 1995, 30(4): 695-705.2 Whiffin V S. Microbial CaCO3 precipitation for the production of biocementD. Murdoch University, 2004.3 Ferris FG, et al. (1992) Bacteriogenic mineral plugging. United States Patent 664769.4 De Muynck W, De Belie N, Verstraete W. Microbial carbonate precipitation i

22、n construction materials: a reviewJ. Ecological Engineering, 2010, 36(2): 118-136.5 Warren L A, Maurice P A, Parmar N, et al. Microbially mediated calcium carbonate precipitation: implications for interpreting calcite precipitation and for solid-phase capture of inorganic contaminantsJ. Geomicrobiol

23、ogy Journal, 2001, 18(1): 93-115.6 Hammes F, Seka A, de Knijf S, et al. A novel approach to calcium removal from calcium-rich industrial wastewaterJ. Water Research, 2003, 37(3): 699-704.7 Le Metayer-Levrel G, Castanier S, Orial G, et al. Applications of bacterial carbonatogenesis to the protection

24、and regeneration of limestones in buildings and historic patrimonyJ. Sedimentary geology, 1999, 126(1): 25-34.8 DeJong J T, Fritzges M B, Nüsslein K. Microbially induced cementation to control sand response to undrained shearJ. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, 2006, 132

25、(11): 1381-1392.9 Boquet E, Boronat A, Ramos-Cormenzana A. Production of calcite (calcium carbonate) crystals by soil bacteria is a general phenomenonJ. 1973.10 Stocks-Fischer S, Galinat J K, Bang S S. Microbiological precipitation of CaCO 3J. Soil Biology and Biochemistry, 1999, 31(11): 1563-1571.1

26、1 Ghosh P, Mandal S, Chattopadhyay B D, et al. Use of microorganism to improve the strength of cement mortarJ. Cement and Concrete Research, 2005, 35(10): 1980-1983. 12 Achal V, Mukerjee A, Reddy M S. Biogenic treatment improves the durability and remediates the cracks of concrete structuresJ. Const

27、ruction and Building Materials, 2013, 48: 1-5. 13 De Muynck W, Verbeken K, De Belie N, et al. Influence of urea and calcium dosage on the effectiveness of bacterially induced carbonate precipitation on limestoneJ. Ecological Engineering, 2010, 36(2): 99-111. 14 Rivadeneyra M A, Delgado G, Ramos-Corm

28、enzana A, et al. Biomineralization of carbonates by Halomonas eurihalina in solid and liquid media with different salinities: crystal formation sequenceJ. Research in Microbiology, 1998, 149(4): 277-287.15 高禮雄, 孫國文. 微生物技術在混凝土裂縫自修復中應用的研究進展J. 硅酸鹽學報, 2013, 41(5): 627-636. 16 王瑞興.碳酸鹽礦化菌研究D. 南京: 東南大學, 20

29、05年.17 李沛豪, 屈文俊. 細菌誘導碳酸鈣礦化材料及其應用前景J. 建筑材料學報, 2009, 12(4): 482-486. 18 王瑞興, 錢春香, 王劍云. 微生物沉積碳酸鈣研究J. 東南大學學報 (自然科學版), 2005, 7(35):191-195. 19 De Muynck W, Cox K, De Belie N, et al. Bacterial carbonate precipitation as an alternative surface treatment for concreteJ. Construction and Building Materials, 2008, 22(5): 875-885.20 Jonkers H M, Thijssen A, Muyzer G, et al. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concreteJ. Ecological engineering, 2010, 36(2): 230-235. 21 錢春香, 羅勉, 潘慶峰, 等. 自修復混凝土中微生物礦化方解石的形成