微生物用于海洋混凝土裂縫自修復的研究進展

　　摘要:微生物礦化技術修復混凝土有了初步的發展，已有的研究主要是把細菌加入普通混凝土中研究對其的修復作用。從微生物的選擇、固載物質的選擇、修復效果的表征方面以及用于修復的混凝土方面綜述了微生物用于混凝土裂縫修復的研究現狀，為進一步的研究方向提出了建議。

　　關鍵詞:微生物;載體;自修復;海洋混凝土

　　微生物論文投稿刊物：《微生物學報》是以微生物學基礎研究和應用基礎研究以及高技術創新為主的綜合性學術刊物。他反映我國微生物學研究領域中最新成果，促進國內外學術交流，為我國的經濟建設服務。主要報道我國普通微生物學、工業、農業、醫學、獸醫微生物學，病毒學，免疫學和微生物學有關的生物工程等方面的研究論文、研究簡報和小型綜述等。

　　混凝土作為現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。混凝土在長期使用過程中會出現裂縫，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，并且具有環境友好性，近年來受到愈來愈多人的關注，也表現出了良好的前景。近年來，海洋工程建設得到了很大發展。海洋工程混凝土因其特殊的環境，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，體現了混凝土發展的生態友好性。

　　1微生物與海洋工程混凝土間的相互作用關系

　　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在:微生物接觸放入海水中的物體，十幾分鐘內富集一層有機物，首先是單層的聚合物材料，這層膜稱為調節膜，調節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，特別是靜電荷及潤濕度，它是生物膜進一步發展的基礎;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，會繼續分泌新的胞外多聚物(extracellularpolymericsubstance，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]。基體膜厚度僅為5~10nm，生物膜厚度一般為2~3μm，最厚達500μm[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生的酸類物質與混凝土中的Ca(OH)2發生反應，生成石膏，進而與混凝土中的C3A水化產物反應生成鈣礬石，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過程，對混凝土腐蝕的動力學過程產生影響，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，現有的研究大部分為用微生物用于普通環境下混凝土的研究。對于普通環境下的混凝土來說，對于需要進行修復的混凝土裂縫，經常采用的措施有表面封閉法、堵漏法和結構補強加固法等這些傳統的方法。但這些傳統方法存在著明顯的不足之處，也逐漸在被新的方法占領市場。微生物自修復混凝土作為一種對環境不產生危害的方法漸漸得到研究者的關注。

　　3國內外微生物自修復研究現狀

　　3.1國內外所選菌種及效果

　　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，利用細菌產生的碳酸鈣來修補裂縫。下面從國內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。國內錢春香課題組[9]研究了嗜堿芽孢桿菌對混凝土裂縫的修復效果。試驗驗證了在Ca2+富集的裂縫環境中，此類細菌能夠加速誘導碳酸鈣在裂縫表面區域的沉積。此類細菌能夠分泌碳酸酐酶，從而促進CO2向HCO-3轉變，在混凝土裂縫的堿性環境中，HCO-3和OH-快速反應生成CO2-3，從而結合Ca2+生成碳酸鈣沉淀;清華大學的張越等人[10]用巴氏芽孢八疊球菌和營養鹽(尿素和鈣鹽的混合液)誘導生成碳酸鈣結晶，試驗找出了巴氏芽孢八疊球菌的脲酶活性的最佳適宜條件，并找到了氯化鈣的合適替代鈣源———乙酸鈣，樣品單軸抗壓強度最高可達43MPa，平均強度達28.8MPa。

　　Bang[11，12]研究了厭氧菌Bacilluspasteurii對碳酸鈣的誘導沉積作用。Bang的研究表明，營養液中存在著pH值的動態平衡，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JonkersHM[13，14]用好氧型耐堿芽孢桿菌(BacilluspseudofirmusDSM8715&BacilluscohniiDSM6307)取代厭氧桿菌，和培養基摻入混凝土材料，混凝土內部的高堿性使得細菌處于休眠孢子狀態，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，細菌代謝產生CO2，在濕潤環境中與水泥基材料中的鈣離子反應生成碳酸鈣。

　　SierraBeltranMG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，發現硅酸鹽基質在混凝土裂縫中產生了凝膠，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，在環境中含有氧氣的條件下在試件內部發生代謝，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物質。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，攪拌鍋內扇葉的旋轉會影響微生物的存活率。選擇固載物質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，顯得至關重要。

　　3.2固載物質的選擇

　　比利時的Ghent大學的BelieND[16]認為僅有菌液的狀態下并不能生成足量的碳酸鈣，他使用硅凝膠(silicasol)將細菌固載，在尿素和CaCl2的混合液中進行浸泡，與傳統修復方式相比，滲透率最低，效果較好。Ghent大學的WangJianyun等[17]采用聚氨酯(polyurethane)和硅膠(silicagel)固載菌株，結果表明硅膠中固載系統碳酸鈣含量為25%，高于聚氨酯固載系統的碳酸鈣含量11%。Bang等[18]采用聚氨酯固載菌株，試件7d強度可提高12%，28d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燒結多孔玻璃屑固載菌株，28d抗壓強度提高24%，而且由于其多孔性，固載菌株數量最多。

　　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，外在表現為海藻酸鈉經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造的環境中，可在水泥石表面生成與水泥石粘結緊密連續均勻的碳酸鈣層。覆膜后表面吸水系數降低一個數量級左右，抗滲性明顯提高。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100μm時，基材毛細吸水系數可下降至86%，而當裂縫增大到100μm以上時，修復效果很差甚至無效。

　　4海洋工程混凝土裂縫修復研究現狀

　　目前自修復混凝土研究一般針對普通環境下混凝土，對海洋環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對應的兩級移動沉積，從而修復混凝土裂縫。但這項技術目前的研究很少，海工混凝土用微生物修復裂縫的研究更鮮有報道。

　　5結語

　　總結國內外微生物修復混凝土技術可以看出，微生物修復技術能夠有效提高混凝土的耐久性，并且具有環境友好性，符合混凝土的綠色化發展要求。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、在海工混凝土環境下微生物是否能發揮應有的作用等。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。

　　參考文獻

　　[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筑[D].青島:中國海洋大學，2013.

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