不同载体对于微生物矿化修复混凝土裂缝效果的研究进展.docx

? ? 不同载体对于微生物矿化修复混凝土裂缝效果的研究进展 ? ? 田 园，姚星旭 （1.吉林农业大学生命科学学院，吉林 长春 130118；2.清华大学土木水利学院，北京 100084） 混凝土因结构牢固、价格低廉等优势成为现代建筑工程中的主要应用材料，但在随着使用年限的增加，几乎所有混凝土内部都会产生细小裂缝，裂缝逐渐增大的同时，一些有害物质侵入从而降低其耐久性，表面修补、裂缝灌浆等传统裂缝修复成本昂贵且效果一般。Gollapudi等在1995年最先提出用细菌诱导碳酸钙沉淀能够对混凝土建筑基质渗漏进行修补，其中，细菌诱导碳酸钙沉淀有两个途径：（1）厌氧微生物的新陈代谢所产生的尿素酶，将尿素分解为氨和二氧化碳，随着产物不断增加，溶液的pH值不断升高，钙离子与碳酸根离子结合，生成碳酸钙沉淀；（2）好氧微生物呼吸产生的二氧化碳与混凝土结构中的钙离子结合形成碳酸钙沉淀物。该反应称为微生物诱导碳酸钙反应（MICP），是一种微生物岩土技术，最常见的一种反应过程——尿素水解反应。 此发现为混凝土修复开辟了一条新的道路，国内外学者对此展开研究。但是，由于混凝土内部环境呈高碱性，那么让微生物在混凝土水化过程中保持活性较为困难。荷兰的Jonker等将嗜碱性芽孢杆菌直接掺入混凝土，发现随着混凝土的逐渐固化，最后存活下来的芽孢微乎其微，在水泥混凝土水化过程中，基材的孔隙直径会越来越小，导致混合在混凝土中的芽孢杆菌被碾碎，微生物修复的效果大打折扣。而Wang等则想出用聚氨酯和硅凝胶作为微生物载体与混凝土混合发挥其矿化作用，模拟混凝土内部的高碱性环境，球形芽孢杆菌仍能保持高酶活性，有理想的矿化率，最终能完全修复的裂缝宽度在0.3 mm以下。两项实验结果对比表明，微生物载体能够为微生物的生长代谢提供微环境，保护其免受混凝土的碱性环境侵害和颗粒挤压的作用，使其在混凝土出现裂缝之前保持活性。 1 固载方式和机理 微生物固载技术是给微生物提供适宜的生长微环境，使其高度密集并保持生物活性的一种现代生物技术。目前所了解的几种微生物固载方式有吸附法、交联法、包埋法和自身固定化法。吸附法是指通过微生物与载体材料之间的弱作用力将微生物吸附在载体表面；交联法是指用双官能团或多官能团试剂与酶分子中的氨基或羧基发生反应，使酶分子相互关联，形成固定化细胞；包埋法是指通过聚合作用、沉淀作用等将微生物截流在水不溶性的凝胶聚合物孔隙的网络空间中，这种凝胶聚合物的网络可以阻止细胞的泄漏，同时能让基质渗入和产物扩散出来；自身固定化法是指微生物依靠自身絮凝作用实现细胞间的自交联固载。 2 不同微生物载体修复混凝土微裂缝的方式及效果 2.1 包埋法 王瑞兴等利用涂刷技术在水泥石表面涂一层高浓度的菌株湿细胞，用琼脂作为载体将菌株、营养源和Ca源配置的液体涂在菌株湿细胞上方，然后将水泥试件放置在烘箱内烘干，测试其表面吸水率是否降低。这样可以在水泥石表面建立保护层以降低水泥的渗水率，延长使用年限。对于内部，则采用将离心后的菌株湿细胞与砂基材、尿素、琼脂以及Ca(NO)混合注入水泥裂缝，再定期向水泥裂缝中滴加修复营养液的方式以保证菌株的生长和酶化条件，进而巩固混凝土的抗压强度。实验发现水泥石表面出现了致密、连续的白色沉淀，能够完全覆盖水泥原表面，通过扫描电镜（scanning electron microscope ，SEM）发现在载体琼脂的作用下，所有的碳酸钙颗粒相互胶结，大大降低了水泥的表面吸水率，能够有效防护水泥表面的侵蚀；而若将载体混合菌株及其他营养物质填充水泥内部裂缝，相对比而言并没有使菌株的生长和矿化得到明显的优化，且由于琼脂质软导致水泥的硬度降低。后来，任立夫等在此基础上利用琼脂固载碳酸酐酶菌用上述同样的涂刷方式对水泥表面裂缝进行覆膜，发现可将初始吸水速率降低90%，但无法修复表面超过0.1 mm的裂缝，修复混凝土内部裂缝的效果也不好。因此从现有研究来看，琼脂在水泥表面能有效降低吸水率，但在内部却无法发挥这样的作用，还会影响水泥本身的抗压强度。 微胶囊作为载体固载微生物的方法被许多研究者欣赏，这种方法主要是指将一些生物活体和其生长代谢所必需的营养物质一起包埋在一层具有生物相容性的材料内。微胶囊可以在高碱性环境下保护内容物，在需要时胶囊破裂，释放微生物发挥作用。但由于生物微胶囊的壁材通常采用亲水的天然高分子，需要规避亲水物质在水中会溶解或溶胀的问题，所以罗园春以环氧E-51为壁材，采用油相悬浮分散法制备了含有科氏芽孢杆菌DSM6307孢子的生物微胶囊。通过实验可知利用此方法包埋的孢子存活率和矿化率都相当可观，且这样的微胶囊所具有的优异防水性能可以保证微生物复合入混凝土中能保持最初活性，结果显示，在37℃下的30 d时间里，科氏芽孢杆菌DSM6307矿化产生的碳酸钙能将0.1 m