微生物修复混凝土裂缝的研究进展

摘要：混凝土结构产生裂缝的主要原因是由荷载、变形、设计及施工引起的。预防混凝土的开裂是工程领域的技术难题，利用自修复混凝土对工程裂缝进行修补，其成本低，便于施工，其方法新颖、环保，具有广阔的可发展潜力和工程实际可操作性。基于国内外已有的研究成果和前期研究工作，由于混凝土的碱性环境，微生物加入时成活率显著降低。所以为了确保细菌更好的生长并保持活性，可以使用载体来保护细菌不受到环境影响同时也可以为微生物提供更大的生存空间。细菌由于其适应混凝土的卓越能力和促进矿化的非凡能力，是用作修复剂的最佳候选物之一。

关键词：自修复混凝土；微生物；载体；高孔隙率；裂缝

引言

随着全球人口的增长，对更多基础设施的需求增加，混凝土的可用性下降。混凝土的低抗拉强度特性使得其在建筑物的结构表面易产生微裂缝，对建筑的性能有很大影响。因此，修复裂缝成为研究热点。基于微生物矿化沉积原理，微生物的自修复技术可以没有人控制和操作、及时诊断和修复裂缝，这被认为是最有潜力的修复技术。

一、混凝土结构产生裂缝原因

在混凝土结构裂缝中，主要有干湿性裂缝、化学性裂缝与温度性裂缝三类。其中，干湿性裂缝多由混凝土养护程序中操作不当造成，混凝土在浇筑完成后的水分蒸发情况的评估与控制不到位，可能造成干湿性裂缝的出现。化学性裂缝多由混凝土配制过程中操作不当造成，温度性裂缝可发生于混凝土施工的多个程序中，如浇筑过程中，一次性浇筑面积较大可能造成混凝土内部水分蒸发不充分，造成混凝土结构裂缝。

混凝土结构裂缝的具体成因主要有以下几点：一是混凝土结构施工前，工程勘察设计过程中存在问题，在勘查中出现数据失误、测量不精准等情况，都会直接影响施工设计与具体施工环节的工作；二是混凝土结构施工在混凝土材料的选择上存在不足，因材料质量、水泥颗粒大小、含泥量、混凝土配合比等因素造成混凝土结构裂缝；三是混凝土施工中环境因素影响，结构自身受水泥水化热及内部温度应力影响，若是再受到外界高温的影响，则更容易造成温度变化下的结构性变形，这也是混凝土结构中裂缝产生的重要因素。

二、MICP技术的调查研究

目前工程中使用的大多混凝土裂缝修复方法主要有表面处理法、填充法、灌浆法和结构补强法等[1]。但是这些方法都有一定的弊端且工序繁杂。所以需要一种更快捷更便利的方法能够修复混凝土裂缝。一类由微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）的应用对天然石材结构的修复作用引发了广大学者的兴趣。

混凝土裂缝常用的修补材料主要有环氧树脂系统和丙烯酸树脂，这些都是不环保的材料，并在干燥收缩和热膨胀往往会在原始材料之间造成分层或开裂混凝土基体及修补材料。利用微生物技术修补混凝土裂缝，使用的巴氏杆菌在混凝土中使用轻骨料作为细菌载体可以增强细菌的活性。这样可以大大提高细菌矿化的可行性和成功率。

近几年来，有关微生物相关的工程问题得到了越来越多的关注。所以结合国内外现状，对微生物修复混凝土对其理论研究及当下面临问题进行相关的总结。

1.MICP技术介绍

MICP的技术原理主要是通过细菌来生产代谢可分解尿素的脲酶，然后分解出来的碳酸和空气中的水分和氧气接触从而形成碳酸钙沉淀。这不仅减少了生产能源消耗和生产成本的要求并且可以减少温室气体排放量。

MICP是为了将天然化学物质变成沉淀矿物，通过依靠微生物的新陈代谢或代谢物，在短时间内生产很多具有胶结性的矿物质。随着微生物菌液浓度等其他因素的比例变化，混凝土的力学性能都有不同程度的改变，菌液对裂隙土体的修复能力增强，可一定程度上改善土体的物理力学性质。

混凝土中的碱性环境对矿化细菌的影响，通过使用载体可以有效保护细菌。这可以给细菌良好的生长环境。2013年钱春香[2]用琼脂将菌株和营养物质固载后涂刷于水泥石表面，创造菌株矿化沉积的微环境，生成碳酸钙膜，水泥石试件表面毛细吸水系数降幅高达90%，防护效果显著。2009年李沛豪[3]等人采用巴氏芽孢八叠球菌对混凝土及石质文物表面保护进行了研究，试验表明可以有效提高混凝土的抗碳化能力，提高混凝土结构的耐久性。

2.微生物修复可提高耐久性

人们普遍认为混凝土与孔隙结构的特征有关。混凝土的渗透性是取决于孔隙率和孔隙的连通性。混凝土结构的退化通常涉及腐蚀性气体、液体从周围环境进入混凝土的内部结构可能会发生物理化学反应。因此，传输属性和力学性能是影响混凝土性能的重要因素。近年来，微生物诱导的碳酸钙沉淀（MICP）是由对混凝土中某些特定微生物的代谢活性整体提高混凝土的性能已经开始引起研究者的兴趣。

混凝土的耐久性问题往往与渗透性有关，降低混凝土的渗透性将大大提高混凝土结构的使用寿命。目前MICP技术一直是许多研究工作的重点，这项技术正慢慢地走向实际应用，所以我们仍在继续研究解决相关的问题，从而使得MICP技术可以得到进一步发展和应用。

三、总结

自修复混凝土技术在工程领域起着重要的作用。该技术可以有效修复混凝土表面的裂纹，改善内部结构，提高机械材料的机械性能和耐久性。

自修复混凝土可以解决传统混凝土难以解决的问题，确保建筑物、桥梁和隧道等重点通行及居住的安全性和耐久性，减少台风损害程度、地震影响和其他因素。在恶劣条件的情况下，在使用自愈混凝土的情况下，人物质及财力将被大大地节约，同时也可以修复文化遗产。文化遗物的增强和维修材料对耐久性，材料适应性和外观协调有很高的要求，这项技术在这些方面提供了重要的优点。自愈混凝土的连续研究和试验可以为它的实用化提供基础。

参考文献

[1]苏慧敏.中国水利能源与电气化，2015（09）：16-19。

[2]王瑞兴，钱春香.琼脂固载微生物矿化修复水泥基材料表面缺陷[J].建筑材料学报，2013，16（6）：942-948.

[3]李沛豪，屈文俊.细菌诱导碳酸钙矿化材料及其应用前景[J].建筑材料学报，2009，12（4）：482-486.

基金项目：大学生科技创新训练计划项目。