細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣礦化在修復(fù)構(gòu)筑物的研究進(jìn)展

趙炎炎

[摘 要]在自然環(huán)境中的建筑物等構(gòu)筑物，由于物理、化學(xué)、生物等因素，在自然環(huán)境中不斷遭受風(fēng)化剝蝕、化學(xué)腐蝕，這嚴(yán)重影響了構(gòu)筑物的正常使用，并影響其耐久性。在傳統(tǒng)的修復(fù)方法中，因其造成的負(fù)面效應(yīng)太強(qiáng)或者技術(shù)方面達(dá)到的效果甚微而無法很好地對(duì)已有構(gòu)筑物進(jìn)行修復(fù)。近年來，出現(xiàn)了一種新技術(shù)，即細(xì)菌誘導(dǎo)碳酸鈣礦化結(jié)晶技術(shù)（MICP），由于方法生態(tài)環(huán)保，修復(fù)后材料的性能優(yōu)異而受到廣大科研人員的關(guān)注，并先后對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。本文就近年來這一技術(shù)在修復(fù)構(gòu)筑物表面裂縫、改善構(gòu)筑物滲漏情況等方面，闡述了MICP技術(shù)在修復(fù)構(gòu)筑物方面的研究進(jìn)展，并且提出了這一技術(shù)在應(yīng)用中急需解決的問題以及未來的研究前景。

[關(guān)鍵詞]生物礦化 生物修復(fù) 微生物誘導(dǎo) 裂縫 滲漏

中圖分類號(hào)：TU502 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2016）15-0268-01

一、生物礦化機(jī)理

目前進(jìn)行的MICP灌漿研究大都基于一種高產(chǎn)脲酶的巴氏芽孢桿菌，它是一種嗜堿菌，在新陳代謝過程中會(huì)產(chǎn)生一種脲酶，該酶可以快速將尿素分解生成銨根離子（NH4+）和碳酸根離子（CO32-），反應(yīng)方程式為：NH2-CO-NH2 +3H2O→2NH4+ + CO32-

由于該細(xì)菌表面帶有負(fù)電荷，當(dāng)孔隙中鈣離子濃度達(dá)到一定值時(shí)，鈣離子會(huì)被細(xì)胞吸附，從而以細(xì)胞為晶核[5]，從而在細(xì)菌周圍會(huì)生成碳酸鈣，反應(yīng)方程式為：

Ca2+ + CO32- ≒CaCO3（aq）

當(dāng)孔隙溶液中CaCO3（aq）的濃度超過了其溶解能力時(shí)，便會(huì)在孔隙中析出碳酸鈣沉淀。

隨著碳酸鈣沉淀的不斷積累、團(tuán)聚而成為更大的顆粒，材料孔隙會(huì)大大減少，從而達(dá)到裂縫修復(fù)、防滲等效果[4]。

二、生物礦化試驗(yàn)研究

北京清華大學(xué)土木工程系的楊鉆從土壤中篩選出來了脲酶高產(chǎn)菌株，并對(duì)其進(jìn)行了菌株的誘變培養(yǎng)與培養(yǎng)基的優(yōu)化，進(jìn)行了高強(qiáng)微生物砂漿的制備，使用巴氏芽孢八疊球菌誘變株，采用多批次灌入菌液、固定液和膠凝液的方法對(duì)工業(yè)砂進(jìn)行微生物灌漿加固，進(jìn)行單軸抗壓極限強(qiáng)度、劈裂抗拉強(qiáng)度和單壓疲勞強(qiáng)度測(cè)試，得到高強(qiáng)微生物砂漿這種新材料相對(duì)傳統(tǒng)水泥-石灰混合砂漿，具有材料孔徑大、劈裂抗拉強(qiáng)度高、耐受循環(huán)荷載能力強(qiáng)的工作性能[4]。

東南大學(xué)的錢春香等人嘗試?yán)梦⑸锍练e碳酸鈣，修復(fù)水泥基材料表面缺陷，他們通過涂抹和注入的方法，在水泥材料表面原位沉積處碳酸鈣，使得材料的吸水率得到降低，提高了材料的抗壓強(qiáng)度，使水泥材料表面的裂縫得到了較好的修復(fù)[2]。

同濟(jì)大學(xué)的李沛豪等人也利用生物礦化技術(shù)，對(duì)混凝土表面裂縫的修復(fù)進(jìn)行了研究，通過混凝土試件以及其裂縫的人工制備，采用芽孢八疊球菌，對(duì)三種不同深度裂縫混凝土立方試件進(jìn)行微生物修復(fù)，通過XRD以及SEM分析沉積晶體的成分以及顆粒形貌，并測(cè)量混凝土試件裂縫修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度以及素混凝土梁彎曲跨中極限荷載，使混凝土裂縫得到一定的修復(fù)效果，且這一方法在淺層裂縫的修復(fù)方面得到的效果較好[3]。

三、生物礦化在修復(fù)構(gòu)筑物方面的應(yīng)用

清華大學(xué)的李萌、程曉輝等人與北京工商大學(xué)的張?jiān)降热死梦⑸镎T導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)，嘗試治理某地下室滲漏，并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)修復(fù)實(shí)驗(yàn)，采取在裂縫墻體迎水面回填土層灌注巴氏芽孢八疊球菌菌液和營(yíng)養(yǎng)液的方法進(jìn)行滲漏治理的試驗(yàn)，在灌漿4 個(gè)月后，墻體裂縫處形成一層碳酸鈣膜，將裂縫表面覆蓋，達(dá)到了很好的防滲效果[1]。

在此之后在清華大學(xué)西體育館部分花崗巖石柱柱腳進(jìn)行了微生物灌漿現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，以及布達(dá)拉宮馬基康外墻空鼓加固及原位灌漿實(shí)驗(yàn)，均取得了初步成效[4]。

之后山東建筑大學(xué)的侯宏濤等人，在總結(jié)現(xiàn)有研究成果的基礎(chǔ)上，同樣對(duì)某地下室滲漏工程進(jìn)行了微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉枳技術(shù)的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)修復(fù)。該實(shí)驗(yàn)采用四種不同的灌漿方式—裂縫外部土壤灌漿、水平裂縫外表面做灌漿槽灌漿、豎向裂縫鉆斜向灌注孔灌漿、以及裂縫表面涂刷漿液，對(duì)混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)進(jìn)行研究，得到了四種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為后續(xù)研究以及應(yīng)用提供了的寶貴經(jīng)驗(yàn)[8]。

四、前景與展望

生物礦化這一技術(shù)雖然有著大量的研究與在試驗(yàn)上有著許多成功的應(yīng)用[7]，但這一技術(shù)仍然存在許多問題，如酶活性隨時(shí)間降低且價(jià)格昂貴、灌漿強(qiáng)度不均勻、易造成結(jié)構(gòu)孔隙堵塞、灌漿效率低、實(shí)驗(yàn)采用的氯化鈣溶液中的氯離子會(huì)對(duì)鋼筋產(chǎn)生銹蝕等問題，這一技術(shù)在理論方法上仍不完善，將會(huì)成為今后研究的重點(diǎn)。

微生物誘導(dǎo)碳酸鈣礦化加固與修復(fù)技術(shù)，以其創(chuàng)新的方法技術(shù)、生態(tài)環(huán)保、得到的修復(fù)體性能優(yōu)良、耐久性及相容性好等特點(diǎn)，得到了科學(xué)家的廣泛深入研究。本文探討了近年來生物礦化在方法機(jī)理上的相關(guān)試驗(yàn)的探討，以及修復(fù)構(gòu)筑物表面裂縫、改善構(gòu)筑物滲漏情況等方面的相關(guān)應(yīng)用，總結(jié)了MICP技術(shù)在修復(fù)構(gòu)筑物方面的研究進(jìn)展，結(jié)果表明生物礦化技術(shù)的研究是多學(xué)科、多領(lǐng)域的研究領(lǐng)域，并且在土木、巖土等工程上有著廣泛的應(yīng)用前景，隨著不同領(lǐng)域科學(xué)家的不斷加入，這一技術(shù)將不斷成熟，微生物誘導(dǎo)碳酸鈣礦化這一技術(shù)將發(fā)展成為一種新型的節(jié)能環(huán)保、性能優(yōu)良的構(gòu)筑物的修復(fù)方法。

參考文獻(xiàn)：

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