微生物修复混凝土技术的研究现状与进展
2022-06-09
摘 要：本文介绍了微生物修复作用的机理，对国内外研究现状做出总结，并对提出进一步研究的建议，最后对微生物修复技术的应用前景作出分析。
关键词：微生物诱导；矿物沉淀；自修复；耐久性
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.073
1 微生物诱导修复的研究现状
微生物诱导碳酸钙沉淀的形成一般由两种方法：（1）一种是厌氧微生物的酶化反应，即厌氧微生物新陈代谢活动能够产生一种尿素酶，通过外界不断的提供营养液（尿素和钙离子），这种催化酶能够将尿素水解为氨和二氧化碳，随着生成物的不断增加，溶液中的pH值会不断的升高，当碳酸根离子遇到钙离子时，就可以引起钙离子以碳酸钙的形式沉积。同时微生物细胞附近也为下一步碳酸钙的沉积提供成核的地点；（2）另一种是好氧微生物的呼吸作用自我修复，即通过将微生物、营养液、水泥浆等同时搅拌成混凝土结构，在混凝土裂缝没有形成以前，微生物处于休眠状态。一旦裂缝形成，混凝土结构中进入水和空气后，微生物就会进行有氧呼吸作用，将氧气转化为二氧化碳，二氧化碳与混凝土结构的钙离子结合，最后生成碳酸钙沉积物。
1.1 厌氧微生物诱导沉淀的研究现状
（1）诱导沉淀的成分及性能的研究。Ramakrishnan等通过对厌氧微生物诱导后的产物进行（SEM）电镜扫描和X射线衍射（XRD）分析得出沉积物为方解石。同时对修复后的试件进行抗酸、抗碱、冻融循环和干缩循环试验，得出的数据显示试件的耐久性得到了显著的加强。
黄琰等将巴斯德芽孢杆菌培养基与无菌培养基的进行对比试验来处理石英砂，通过X-射线衍射分析和扫描电镜分析得出，通过有菌培养液处理后的石英砂表面有方解石晶体生成，同时在方解石晶体表面附着有巴斯德芽孢杆菌。
（2）温度、PH、溶液浓度、缓冲溶液等对微生物诱导沉积物的影响。Tittelboom K V等通过对混凝土结构抗渗的研究，得出了缓冲溶液硅胶对微生物在混凝土结构中的存活起着关键作用，缓冲溶液硅胶的存在可以使得微生物适应高碱性环境，从而可以有效的提高修复材料的耐久性能。通过超声检测得出，微生物修复后的混凝土结构超声检测的声时明显低于无微生物混凝土结构检测声时。热量分析也证实了缓冲溶剂硅胶的存在对微生物的存活起着重要作用。
Navneet Chahal等的室内研究表明，细菌改性硅灰混凝土抗压强度的提高是因为活性细菌催化作用下产生的沉淀，进入了混凝土的裂纹和空洞里。通过不同浓度有菌试验和无菌试验，5%硅灰含量和10%硅灰含量对比试验及耦合试验得出，28天标准养护的抗压强度，10%硅灰+ 105 cells/ml菌体浓度的抗压强度提高最多38.1Mpa（无菌试验5%硅灰含量混凝土抗压强度为28Mpa）。通过X射线分析和扫描电镜观察，添加硅灰的含菌体混凝土抗渗透性效果显著。
黄琰等通过单因素影响的试验方法分别通过钙离子浓度、温度和外添加剂镍离子含量对诱导产物的产量作了研究。单因素试验分别得出当钙离子浓度为0.0252mol/L、温度为30℃时，方解石产量最高。同时，镍离子含量的多少与方解石产量成反比。
1.2 好氧微生物诱导沉淀的研究现状
对好氧微生物自修复研究比较全面的荷兰代尔夫特大学的Henk M. Jonkers对微生物的存活率、强度增长进行了研究。
Jonkers等从碱性土壤中提取球形芽孢杆菌（耐碱菌种），将培养过的菌种与乳酸钙营养液和混凝土共同浇注，通过MPN观察，该菌种在浇筑完成第9天细菌存活量为1.6×106/cm3、第22天细菌存活量为0.35×106/cm3、第42天细菌存活量为0.25×106/cm3、四个月后细菌存活量为0.5×103/cm3。通过与无菌构件比较，混凝土构件的抗压强度下降了10%，通过MIP分析可以得出在调整细菌用量的基础上，裂缝产生7天后，微生物能对混凝土裂缝进行修复，而28天后随着微生物数量的减少，产生的碳酸钙的量也逐渐减少，再次产生裂缝后，修复效果不理想。
2 微生物修复技术进一步研究所要解决的问题
2.1 培养基、微生物、缓冲溶液等和水泥基的兼容性
微生物含量的多少直接影响裂缝的修复效果。很多研究表明，微生物含量过多会影响混凝土结构性能，而微生物过少，在需要修复的部位不存在微生物或者微生物含量过少，就会最终影响裂缝的修复。同理，如果在需要修复的部位营养液不足，也会对裂缝修复产生影响。缓冲溶液可以有效的控制微生物作用环境的PH，因此缓冲溶液的多少对微生物的存活量等有较大的影响。
2.2 微生物混合溶液对混凝土耐久性的进一步研究
厌氧微生物作用下混凝土的耐久性主要是以矿物沉积为研究方向，这方面所做的试验工作比较多。好氧微生物作用下混凝土的耐久性研究较少，好氧微生物通过呼吸作用产生二氧化碳，会与混凝土中的Ca（OH）2结合，因而降低了混凝土中的碱性，这对钢筋的保护作用是不利的，但微生物在混凝土结构内部的呼吸作用又可以消耗内部的氧气和部分水分，这对保护钢筋又是有利的，这就需要对好氧自修复混凝土的耐久性，特别是对钢筋的保护作用作进一步的研究，已达到对钢筋保护的最佳方案。
3 微生物修复技术应用的展望
大量的实验研究表明，微生物诱导碳酸钙沉积物可以成功的应用在修复混凝土表面裂纹上。大量的矿物沉积是由于微生物的诱导后产生的，因此与传统意义上的高分子补漏相比能够更有益于环境的保护。厌氧微生物修复技术实验室研究阶段技术已经比较成熟，应用到工程上不仅要确定成分的最优比，而且还要考虑经济效益。混凝土结构需要有较长的使用年限，在混凝土服役期间，如果好氧微生物的自修复技术能够成功的应用到工程上，这对混凝土结构修复技术有着重要的意义，因为这不仅可以实现旧建筑物的自我修复，又可以实现新建建筑物的智能修复，因此好氧微生物的自修复的应用有着广阔的应用前景。 本文由wWw.DyLw.NeT提供，第一论 文 网专业代写教育教学论文和论文代写以及发表论文服务，欢迎光临dYlw.nET
参考文献：
[1]Willem De Muynck， Nele De Belie，Willy Verstraete. Microbial carbonate precipitation in construction materials： A review[J]. Ecological Engineering. 2010，36：118-136
[2]袁雄洲，孙伟，陈惠苏.水泥基材料裂缝微生物修复技术的研究与进展[J].硅酸盐学报，2009，37（01）：160-170.
[3]黄琰，罗学刚，杜菲.微生物诱导方解石沉积加固的影响因素[J]. 西南科技大学学报，2009，24（03）：87-93.
作者简介：侯明姣（1987-），女，河北秦皇岛人，硕士，助理工程师，主要从事：岩土工程勘察设计工作。
关键词：微生物诱导；矿物沉淀；自修复；耐久性
DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.02.073
1 微生物诱导修复的研究现状
微生物诱导碳酸钙沉淀的形成一般由两种方法：（1）一种是厌氧微生物的酶化反应，即厌氧微生物新陈代谢活动能够产生一种尿素酶，通过外界不断的提供营养液（尿素和钙离子），这种催化酶能够将尿素水解为氨和二氧化碳，随着生成物的不断增加，溶液中的pH值会不断的升高，当碳酸根离子遇到钙离子时，就可以引起钙离子以碳酸钙的形式沉积。同时微生物细胞附近也为下一步碳酸钙的沉积提供成核的地点；（2）另一种是好氧微生物的呼吸作用自我修复，即通过将微生物、营养液、水泥浆等同时搅拌成混凝土结构，在混凝土裂缝没有形成以前，微生物处于休眠状态。一旦裂缝形成，混凝土结构中进入水和空气后，微生物就会进行有氧呼吸作用，将氧气转化为二氧化碳，二氧化碳与混凝土结构的钙离子结合，最后生成碳酸钙沉积物。
1.1 厌氧微生物诱导沉淀的研究现状
（1）诱导沉淀的成分及性能的研究。Ramakrishnan等通过对厌氧微生物诱导后的产物进行（SEM）电镜扫描和X射线衍射（XRD）分析得出沉积物为方解石。同时对修复后的试件进行抗酸、抗碱、冻融循环和干缩循环试验，得出的数据显示试件的耐久性得到了显著的加强。
黄琰等将巴斯德芽孢杆菌培养基与无菌培养基的进行对比试验来处理石英砂，通过X-射线衍射分析和扫描电镜分析得出，通过有菌培养液处理后的石英砂表面有方解石晶体生成，同时在方解石晶体表面附着有巴斯德芽孢杆菌。
（2）温度、PH、溶液浓度、缓冲溶液等对微生物诱导沉积物的影响。Tittelboom K V等通过对混凝土结构抗渗的研究，得出了缓冲溶液硅胶对微生物在混凝土结构中的存活起着关键作用，缓冲溶液硅胶的存在可以使得微生物适应高碱性环境，从而可以有效的提高修复材料的耐久性能。通过超声检测得出，微生物修复后的混凝土结构超声检测的声时明显低于无微生物混凝土结构检测声时。热量分析也证实了缓冲溶剂硅胶的存在对微生物的存活起着重要作用。
Navneet Chahal等的室内研究表明，细菌改性硅灰混凝土抗压强度的提高是因为活性细菌催化作用下产生的沉淀，进入了混凝土的裂纹和空洞里。通过不同浓度有菌试验和无菌试验，5%硅灰含量和10%硅灰含量对比试验及耦合试验得出，28天标准养护的抗压强度，10%硅灰+ 105 cells/ml菌体浓度的抗压强度提高最多38.1Mpa（无菌试验5%硅灰含量混凝土抗压强度为28Mpa）。通过X射线分析和扫描电镜观察，添加硅灰的含菌体混凝土抗渗透性效果显著。
黄琰等通过单因素影响的试验方法分别通过钙离子浓度、温度和外添加剂镍离子含量对诱导产物的产量作了研究。单因素试验分别得出当钙离子浓度为0.0252mol/L、温度为30℃时，方解石产量最高。同时，镍离子含量的多少与方解石产量成反比。
1.2 好氧微生物诱导沉淀的研究现状
对好氧微生物自修复研究比较全面的荷兰代尔夫特大学的Henk M. Jonkers对微生物的存活率、强度增长进行了研究。
Jonkers等从碱性土壤中提取球形芽孢杆菌（耐碱菌种），将培养过的菌种与乳酸钙营养液和混凝土共同浇注，通过MPN观察，该菌种在浇筑完成第9天细菌存活量为1.6×106/cm3、第22天细菌存活量为0.35×106/cm3、第42天细菌存活量为0.25×106/cm3、四个月后细菌存活量为0.5×103/cm3。通过与无菌构件比较，混凝土构件的抗压强度下降了10%，通过MIP分析可以得出在调整细菌用量的基础上，裂缝产生7天后，微生物能对混凝土裂缝进行修复，而28天后随着微生物数量的减少，产生的碳酸钙的量也逐渐减少，再次产生裂缝后，修复效果不理想。
2 微生物修复技术进一步研究所要解决的问题
2.1 培养基、微生物、缓冲溶液等和水泥基的兼容性
微生物含量的多少直接影响裂缝的修复效果。很多研究表明，微生物含量过多会影响混凝土结构性能，而微生物过少，在需要修复的部位不存在微生物或者微生物含量过少，就会最终影响裂缝的修复。同理，如果在需要修复的部位营养液不足，也会对裂缝修复产生影响。缓冲溶液可以有效的控制微生物作用环境的PH，因此缓冲溶液的多少对微生物的存活量等有较大的影响。
2.2 微生物混合溶液对混凝土耐久性的进一步研究
厌氧微生物作用下混凝土的耐久性主要是以矿物沉积为研究方向，这方面所做的试验工作比较多。好氧微生物作用下混凝土的耐久性研究较少，好氧微生物通过呼吸作用产生二氧化碳，会与混凝土中的Ca（OH）2结合，因而降低了混凝土中的碱性，这对钢筋的保护作用是不利的，但微生物在混凝土结构内部的呼吸作用又可以消耗内部的氧气和部分水分，这对保护钢筋又是有利的，这就需要对好氧自修复混凝土的耐久性，特别是对钢筋的保护作用作进一步的研究，已达到对钢筋保护的最佳方案。
3 微生物修复技术应用的展望
大量的实验研究表明，微生物诱导碳酸钙沉积物可以成功的应用在修复混凝土表面裂纹上。大量的矿物沉积是由于微生物的诱导后产生的，因此与传统意义上的高分子补漏相比能够更有益于环境的保护。厌氧微生物修复技术实验室研究阶段技术已经比较成熟，应用到工程上不仅要确定成分的最优比，而且还要考虑经济效益。混凝土结构需要有较长的使用年限，在混凝土服役期间，如果好氧微生物的自修复技术能够成功的应用到工程上，这对混凝土结构修复技术有着重要的意义，因为这不仅可以实现旧建筑物的自我修复，又可以实现新建建筑物的智能修复，因此好氧微生物的自修复的应用有着广阔的应用前景。 本文由wWw.DyLw.NeT提供，第一论 文 网专业代写教育教学论文和论文代写以及发表论文服务，欢迎光临dYlw.nET
参考文献：
[1]Willem De Muynck， Nele De Belie，Willy Verstraete. Microbial carbonate precipitation in construction materials： A review[J]. Ecological Engineering. 2010，36：118-136
[2]袁雄洲，孙伟，陈惠苏.水泥基材料裂缝微生物修复技术的研究与进展[J].硅酸盐学报，2009，37（01）：160-170.
[3]黄琰，罗学刚，杜菲.微生物诱导方解石沉积加固的影响因素[J]. 西南科技大学学报，2009，24（03）：87-93.
作者简介：侯明姣（1987-），女，河北秦皇岛人，硕士，助理工程师，主要从事：岩土工程勘察设计工作。