本文摘要：摘要:微生物礦化技術(shù)修復(fù)混凝土有了初步的發(fā)展，已有的研究主要是把細(xì)菌加入普通混凝土中研究對其的修復(fù)作用。從微生物的選擇、固載物質(zhì)的選擇、修復(fù)效果的表征方面以及用于修復(fù)的混凝土方面綜述了微生物用于混凝土裂縫修復(fù)的研究現(xiàn)狀，為進一步的研究方向提
摘要:微生物礦化技術(shù)修復(fù)混凝土有了初步的發(fā)展，已有的研究主要是把細(xì)菌加入普通混凝土中研究對其的修復(fù)作用。從微生物的選擇、固載物質(zhì)的選擇、修復(fù)效果的表征方面以及用于修復(fù)的混凝土方面綜述了微生物用于混凝土裂縫修復(fù)的研究現(xiàn)狀，為進一步的研究方向提出了建議。
關(guān)鍵詞:微生物;載體;自修復(fù);海洋混凝土
微生物論文投稿刊物：《微生物學(xué)報》是以微生物學(xué)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用基礎(chǔ)研究以及高技術(shù)創(chuàng)新為主的綜合性學(xué)術(shù)刊物。他反映我國微生物學(xué)研究領(lǐng)域中最新成果，促進國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流，為我國的經(jīng)濟建設(shè)服務(wù)。主要報道我國普通微生物學(xué)、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)微生物學(xué)，病毒學(xué)，免疫學(xué)和微生物學(xué)有關(guān)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(xiàn)代土木工程建設(shè)中不可替代的大宗建筑材料，在基礎(chǔ)建設(shè)設(shè)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(fù)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(fù)混凝土因其誘導(dǎo)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(shè)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(yīng)用于海洋混凝土的修復(fù)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(xì)菌等的吸附，細(xì)菌等逐漸吸附形成基體膜，初始細(xì)菌吸附是一個可逆的過程，細(xì)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(chǔ);時間較長之后，細(xì)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(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(xué)方面的因素而脫離附著點[2]�；w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(xiàn)在:無機酸、有機酸引起的腐蝕破壞;生成絡(luò)合物引起的破壞;鹽應(yīng)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(yīng)，生成石膏，進而與混凝土中的C3A水化產(chǎn)物反應(yīng)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(xué)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(fù)混凝土裂縫機理
應(yīng)用微生物來修復(fù)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(fù)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(fù)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。
3國內(nèi)外微生物自修復(fù)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(fù)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(xì)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(fù)效果。國內(nèi)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(fù)效果。試驗驗證了在Ca2+富集的裂縫環(huán)境中，此類細(xì)菌能夠加速誘導(dǎo)碳酸鈣在裂縫表面區(qū)域的沉積。此類細(xì)菌能夠分泌碳酸酐酶，從而促進CO2向HCO-3轉(zhuǎn)變，在混凝土裂縫的堿性環(huán)境中，HCO-3和OH-快速反應(yīng)生成CO2-3，從而結(jié)合Ca2+生成碳酸鈣沉淀;清華大學(xué)的張越等人[10]用巴氏芽孢八疊球菌和營養(yǎng)鹽(尿素和鈣鹽的混合液)誘導(dǎo)生成碳酸鈣結(jié)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(dǎo)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(xì)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(xì)菌生長存活有一定的pH值范圍。細(xì)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(xì)菌。荷蘭代爾夫特大學(xué)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(yǎng)基摻入混凝土材料，混凝土內(nèi)部的高堿性使得細(xì)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(xì)菌恢復(fù)其新陳代謝功能，細(xì)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(yīng)生成碳酸鈣。
SierraBeltranMG等[15]采用嗜堿細(xì)菌和硅酸鈉(作為細(xì)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(xì)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(fù)中起到誘導(dǎo)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(xué)的BelieND[16]認(rèn)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(silicasol)將細(xì)菌固載，在尿素和CaCl2的混合液中進行浸泡，與傳統(tǒng)修復(fù)方式相比，滲透率最低，效果較好。Ghent大學(xué)的WangJianyun等[17]采用聚氨酯(polyurethane)和硅膠(silicagel)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(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，28d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(xué)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(fēng)干后涂抹一層海藻酸鈉溶液，將菌株固定，然后滴加反應(yīng)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(xì)菌，在表面裂縫寬度小于100μm時，基材毛細(xì)吸水系數(shù)可下降至86%，而當(dāng)裂縫增大到100μm以上時，修復(fù)效果很差甚至無效。
4海洋工程混凝土裂縫修復(fù)研究現(xiàn)狀
目前自修復(fù)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(fù)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(fù)離子分別向?qū)?yīng)的兩級移動沉積，從而修復(fù)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(fù)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(fù)混凝土技術(shù)可以看出，微生物修復(fù)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(fù)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(fù)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(yīng)有的作用等。將微生物真正應(yīng)用于海洋工程混凝土的裂縫修復(fù)這條路任重而道遠，亟待以后的探索研究。
參考文獻
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[3]藺存國.海洋污損生物惰性附著材料的設(shè)計與構(gòu)筑[D].青島:中國海洋大學(xué)，2013.
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