田曼麗 王杰 史翠平

摘要：利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)可修復(fù)石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護(hù)膜，從而改善其強(qiáng)度和耐久性。其反應(yīng)產(chǎn)物即修復(fù)材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學(xué)性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，操作簡(jiǎn)便，成本低廉，因此該技術(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)材料裂縫修復(fù)開辟了新途徑。

關(guān)鍵詞：微生物，裂縫修復(fù)，混凝土

前言

在石油開采、運(yùn)輸、存儲(chǔ)等過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的微生物，地下環(huán)境中的微生物會(huì)對(duì)油氣滲流及巖體產(chǎn)生一定的影響。微生物在生長(zhǎng)、代謝、繁殖的過(guò)程中會(huì)引起設(shè)備管線腐蝕、管道堵塞等問(wèn)題;另外，微生物會(huì)螯合礦物離子導(dǎo)致礦物沉積，從而堵塞周圍巖土的孔隙，引起裂隙巖土滲透性發(fā)生改變。

目前對(duì)于微生物引起的巖土裂隙填充現(xiàn)象，國(guó)內(nèi)外已有不少研究，但大部分主要集中在微生物對(duì)巖土性能改良、歷史文物加固保護(hù)等方面。對(duì)于混凝土而言，自其面世以來(lái)，以其抗壓強(qiáng)度高、防火性好。在混凝土制作、養(yǎng)護(hù)和使用的過(guò)程中難免會(huì)產(chǎn)生一些裂縫，這不僅影響其外觀，而且還可能引起構(gòu)件抗?jié)B性降低、鋼筋銹蝕，加速碳化等，從而影響其使用壽命。學(xué)者受微生物成巖現(xiàn)象的啟發(fā)，提出了利用微生物誘導(dǎo)礦物沉積修復(fù)混凝土裂縫的方法，目前也已取得了較為可觀的成果。

1.微生物的裂縫修復(fù)功能

近年來(lái)，受生物成巖現(xiàn)象的啟發(fā)，油層周圍的巖土的裂縫能夠被微生物修復(fù)的現(xiàn)象得到了確認(rèn)，從而增強(qiáng)了石油開采過(guò)程中油層結(jié)構(gòu)的完整性。微生物的這種黏結(jié)作用即使在微生物死亡后很長(zhǎng)的時(shí)間里仍能在大自然中發(fā)揮作用。

石油工程、地質(zhì)工程和土木工程領(lǐng)域的科研人員注意到了微生物的這種選擇性的黏結(jié)作用并著手研究這些成巖微生物是否能夠應(yīng)用于天然或人造結(jié)構(gòu)的裂縫修復(fù)。Navarro 等[1]對(duì)已發(fā)生劣化的石灰石裝飾表面的裂縫采用微生物修復(fù)并取得了良好的效果，Bang 等[2][3]研究了微生物對(duì)水泥基材料表面裂縫修復(fù)的功效，Gollapudi 等[4]研究了微生物對(duì)隧道表面裂縫的修復(fù)功效。近年來(lái)，許多學(xué)者對(duì)微生物誘導(dǎo)的碳酸鈣沉積技術(shù)在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了探索，例如應(yīng)用于重大文物古建筑挽救修復(fù)、地基土的加固、改善土建基礎(chǔ)設(shè)施安全與耐久性等諸多領(lǐng)域。

2. 微生物對(duì)混凝土裂縫的修復(fù)

微生物對(duì)混凝土裂縫的修復(fù)的想法，最早是由 Gollapudi 等[3]于 1995 年提出，該想法基于微生物礦化機(jī)理，認(rèn)為微生物具有潛在的裂縫自修復(fù)能力。他們利用微生物對(duì)裂縫進(jìn)行了表面封堵，通過(guò)摻加硅灰等礦物質(zhì)，以緩解水泥基材料中的高堿度，為微生物生命活動(dòng)環(huán)境營(yíng)造了酸堿保障，最終取得了良好的效果。由此為混凝土裂縫的修復(fù)開辟了一條新的途徑，受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注。Bang 等[3]利用厭氧的巴氏芽孢桿菌進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，認(rèn)為處于尿素-氯化鈣培養(yǎng)液中帶負(fù)電荷的菌體細(xì)胞壁能夠螯合鈣離子，尿素通過(guò)酶的一系列新陳代 謝反應(yīng)最終水解成氨和二氧化碳，伴隨著碳酸鹽平衡的轉(zhuǎn)變（CO2 到 HCO3-和 CO32-），致使局部碳酸根離子濃度增大，從而又進(jìn)一步吸引更多的鈣離子，直到晶體前驅(qū)體濃度增大到利于核化沉積。混凝土介質(zhì)中的鈣離子與碳酸根離子發(fā)生反應(yīng)，從而在細(xì)胞表面形成不溶性的碳酸鈣沉積物，使裂縫愈合而達(dá)到修復(fù)的目的。微生物的作用不僅僅是生成脲酶，而且為碳酸鈣的沉積提供了成核位點(diǎn)，并通過(guò)SEM和XRD等微觀測(cè)試得到進(jìn)一步的證實(shí)。另外，一些好氧菌或兼性菌所進(jìn)行的新陳代謝呼吸作用也可以誘導(dǎo)產(chǎn)生碳酸鈣沉積。Jonkers 等利用好氧型的假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌（B. pseudofrmus）和科氏芽孢桿菌（B. cohnii）對(duì)水泥凈漿進(jìn)行了對(duì)比研究，發(fā)現(xiàn)在凈漿碎塊表面沉積了大量的礦物晶體，經(jīng)環(huán)境掃描電鏡分析發(fā)現(xiàn)，絕大部分為方解石晶體，從而證明了微生物的代謝作用可有效的將有機(jī)化合物轉(zhuǎn)化為碳酸鈣。此外，他還對(duì)巴氏芽孢桿菌、綠膿桿菌和耐鹽芽孢桿菌進(jìn)行了研究。國(guó)內(nèi)也有許多研究。錢春香課題組[5][6]在利用微生物誘導(dǎo)礦物沉淀來(lái)修復(fù)混凝土方面做了很多工作，他們利用菌株 A 和碳酸鹽礦化菌生長(zhǎng)繁殖過(guò)程中產(chǎn)生的酶化作用生成 CO32-適時(shí)引入 Ca2+形成碳酸鈣，改善了水泥石的滲透性;另外，他們還利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)修復(fù)了具有缺陷的水泥基材料表面，并對(duì)表面生成物進(jìn)行了分析研究。他們首先利用分離技術(shù)得到了高濃度細(xì)菌，并將得到的高濃度細(xì)菌涂刷在了具有表面缺陷的水泥基材料水平表面層，最后測(cè)得在水平頂層生成了大約 100μm 厚的沉積物膜層，并在表面沉積物的作用下構(gòu)件的吸水率降低了 85%左右，但是采用相同方法來(lái)修復(fù)水泥基材料側(cè)表面時(shí)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)沉積物的膜層厚度只有 40μm 左右，在提高抗?jié)B性方面明顯低于作用在頂層的效果;同時(shí)他們對(duì)微生物修復(fù)后的裂縫進(jìn)行強(qiáng)度檢測(cè)，將分離得到的高濃度細(xì)菌和營(yíng)養(yǎng)鹽（尿素、硝酸鈣）、瓊脂載體、砂子混合攪拌成漿體，之后將拌合好的漿體灌入到寬 3mm、深 20mm 的裂縫中，并定期向裂縫中灌注營(yíng)養(yǎng)鹽。試驗(yàn)結(jié)果顯示：填充在裂縫中的砂子被微生物作用產(chǎn)生的沉積物粘結(jié)成了整體，并牢固鑲嵌在裂縫中，裂縫修復(fù)后的 28d 抗壓強(qiáng)度相比未修復(fù)裂縫增強(qiáng)了 76%，修復(fù)后裂縫的抗拉強(qiáng)度提高至母體強(qiáng)度的 84%。李沛豪等[7]利用芽孢八疊球菌研究其對(duì)混凝土裂縫的沉積修復(fù)。結(jié)果表明該細(xì)菌可以誘導(dǎo)碳酸鈣晶體在混凝土表層及裂縫中沉積并與基層形成有效黏結(jié)，有效地減小了混凝土碳化速度系數(shù)，并得知鈣源會(huì)影響碳酸鈣沉積晶相類型，培養(yǎng)基中的 Ca2+ 濃度也會(huì)對(duì)晶體沉積的生長(zhǎng)尺寸、生長(zhǎng)形貌等產(chǎn)生影響，但對(duì)混凝土的防護(hù)效果無(wú)影響。

3.微生物修復(fù)裂縫對(duì)構(gòu)件耐久性的影響

中科院新疆生態(tài)地理研究所 Achal 等[8]人的試驗(yàn)證明，摻入球形芽孢桿菌的混凝土 28d 強(qiáng)度最多可以提高 36%，而且其吸水率可以變?yōu)槠胀ɑ炷恋?1/6，推測(cè)試件強(qiáng)度提升的原因是內(nèi)部的孔隙被生成的碳酸鈣結(jié)晶填充。微生物礦化沉積產(chǎn)物不僅填充了裂縫，還能在一定程度上堵塞裂縫周邊的孔隙，使得孔隙率下降，由此可預(yù)見材料的耐久性將得到不同程度的提高，幾乎所有的研究結(jié)果都證實(shí)了這一點(diǎn)。Ramakrishnan 等人[9]利用巴氏芽孢八疊球菌在混凝土表面覆蓋碳酸鈣層，并對(duì)比分析修復(fù)前后材料的耐久性，結(jié)果證實(shí)：由于微生物誘導(dǎo)作用的沉積物覆蓋于構(gòu)件表面，使構(gòu)件的抗?jié)B能力大幅度提高，而且經(jīng)微生物修復(fù)其抗堿、抗酸能力得到顯著提高、凍融和干縮變形的抵抗性能也得到顯著改善，并且菌液的濃度越高，效果越明顯。當(dāng)采用磷酸鹽緩沖液作為養(yǎng)護(hù)液時(shí)，取得了更好的效果。他們通過(guò) SEM 和 XRD 分析得知，生成物的主要成分是方解石。

De + 等[10]對(duì)利用微生物沉積技術(shù)對(duì)構(gòu)件進(jìn)行表面處理后進(jìn)行了耐久性分析。他們采用三種水灰比不同的構(gòu)件，放在同一特定濃度微生物的培養(yǎng)基中浸泡相同的時(shí)間（24h），然后分別放在氯化鈣、醋酸鈣以及不含鈣離子的三種溶液中進(jìn)行浸泡，結(jié)果表明，經(jīng)微生物表面處理后的構(gòu)件耐久性（毛細(xì)吸水率、抗氣滲性、抗碳化及氯離子滲透性、抗凍性）明顯提高，并且總結(jié)出氯化鈣和醋酸鈣為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積提供鈣離子來(lái)源方面的效果基本等同。朱飛龍等[11]利用碾碎的水泥砂漿粉作為覆膜載體，結(jié)合 MICP 技術(shù)處理水泥砂漿試件，誘導(dǎo)生成的方解石 填充了水泥砂漿內(nèi)部的孔洞和裂縫，改善了孔結(jié)構(gòu)，吸水系數(shù)降低 58%，并且覆膜 7 天后總孔隙率降低 40%，大孔（d>1μm）含量降低 90%。在提出微生物修復(fù)混凝土裂縫之前，微生物修復(fù)方法已被應(yīng)用于地質(zhì)工程和土木工程領(lǐng)域，如巖土性能改良、歷史文物建筑加固保護(hù)等。1990 年有人首次提出將 MICP 技術(shù)應(yīng)用于裝飾石材保護(hù)領(lǐng)域。楊鉆[12]從優(yōu)化菌株的角度出發(fā)，對(duì)巴氏芽孢八疊球菌野生株進(jìn)行誘變篩選，得到耐高尿素和鈣離子濃度、高脲酶活性的菌株，并通過(guò)沙柱粘結(jié)試驗(yàn)優(yōu)化營(yíng)養(yǎng)鹽濃度、灌漿次數(shù)和孔隙介質(zhì)粒徑等可控參數(shù)，對(duì)得到的微生物砂漿的抗拉性能、循環(huán)荷載抗壓、疲勞抗壓等力學(xué)性能以及孔徑分布、膠凝產(chǎn)物晶體結(jié)構(gòu)等性能進(jìn)行了系統(tǒng)性的研究，成功得到單軸抗壓強(qiáng)度在2MPa 到 55MPa 之間不同強(qiáng)度的微生物砂漿樣品，最后進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究和灌漿數(shù)值模型的探索，為 MICP 技術(shù)應(yīng)用于磚石砌體文物加固奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。綜上所述，利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)可修復(fù)石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護(hù)膜，從而改善其強(qiáng)度和耐久性。相對(duì)于傳統(tǒng)的裂縫修復(fù)技術(shù)該技術(shù)具有一定的優(yōu)勢(shì)，其反應(yīng)產(chǎn)物即修復(fù)材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學(xué)性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，避免了傳統(tǒng)技術(shù) 中有機(jī)材料的應(yīng)用，而且操作簡(jiǎn)便，成本低廉，因此該技術(shù)為材料裂縫修復(fù)開辟了新途徑。

4.結(jié)論

利用微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積技術(shù)可修復(fù)石材和水泥基材料裂縫或在其表面形成一層碳酸鈣保護(hù)膜，從而改善其強(qiáng)度和耐久性。其反應(yīng)產(chǎn)物即修復(fù)材料最終為碳酸鈣晶體，改善了其力學(xué)性能和耐久性能，并與材料基體有著較好的相容性，操作簡(jiǎn)便，成本低廉，因此該技術(shù)為混凝土結(jié)構(gòu)材料裂縫修復(fù)開辟了新途徑。

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作者簡(jiǎn)介：田曼麗（1989-），女，江蘇徐州人，漢族，碩士，講師，主要研究BIM技術(shù)應(yīng)用和材料學(xué)。

基金項(xiàng)目：微生物對(duì)裂隙巖樣滲透系數(shù)的影響（項(xiàng)目編號(hào)：CJKJ202005）

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