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微生物修復混凝土技術的研究現狀與進展

2016-08-01 11:58:36 作者：侯明姣來源：山東工業技術分享至：

    1　微生物誘導修復的研究現狀

    微生物誘導碳酸鈣沉淀的形成一般由兩種方法：（1）一種是厭氧微生物的酶化反應，即厭氧微生物新陳代謝活動能夠產生一種尿素酶，通過外界不斷的提供營養液（尿素和鈣離子），這種催化酶能夠將尿素水解為氨和二氧化碳，隨著生成物的不斷增加，溶液中的pH 值會不斷的升高，當碳酸根離子遇到鈣離子時，就可以引起鈣離子以碳酸鈣的形式沉積。同時微生物細胞附近也為下一步碳酸鈣的沉積提供成核的地點；（2）另一種是好氧微生物的呼吸作用自我修復，即通過將微生物、營養液、水泥漿等同時攪拌成混凝土結構，在混凝土裂縫沒有形成以前，微生物處于休眠狀態。一旦裂縫形成，混凝土結構中進入水和空氣后，微生物就會進行有氧呼吸作用，將氧氣轉化為二氧化碳，二氧化碳與混凝土結構的鈣離子結合，最后生成碳酸鈣沉積物。

    1.1　厭氧微生物誘導沉淀的研究現狀

    （1）誘導沉淀的成分及性能的研究。Ramakrishnan 等通過對厭氧微生物誘導后的產物進行（SEM）電鏡掃描和X 射線衍射（XRD）分析得出沉積物為方解石。同時對修復后的試件進行抗酸、抗堿、凍融循環和干縮循環試驗，得出的數據顯示試件的耐久性得到了顯著的加強。

    黃琰等將巴斯德芽孢桿菌培養基與無菌培養基的進行對比試驗來處理石英砂，通過X- 射線衍射分析和掃描電鏡分析得出，通過有菌培養液處理后的石英砂表面有方解石晶體生成，同時在方解石晶體表面附著有巴斯德芽孢桿菌。

    （2）溫度、PH、溶液濃度、緩沖溶液等對微生物誘導沉積物的影響。Tittelboom K V 等通過對混凝土結構抗滲的研究，得出了緩沖溶液硅膠對微生物在混凝土結構中的存活起著關鍵作用，緩沖溶液硅膠的存在可以使得微生物適應高堿性環境，從而可以有效的提高修復材料的耐久性能。通過超聲檢測得出，微生物修復后的混凝土結構超聲檢測的聲時明顯低于無微生物混凝土結構檢測聲時。熱量分析也證實了緩沖溶劑硅膠的存在對微生物的存活起著重要作用。

    Navneet Chahal 等的室內研究表明，細菌改性硅灰混凝土抗壓強度的提高是因為活性細菌催化作用下產生的沉淀，進入了混凝土的裂紋和空洞里。通過不同濃度有菌試驗和無菌試驗，5% 硅灰含量和10% 硅灰含量對比試驗及耦合試驗得出，28 天標準養護的抗壓強度，10% 硅灰+ 105 cells/ml 菌體濃度的抗壓強度提高最多38.1Mpa（無菌試驗5% 硅灰含量混凝土抗壓強度為28Mpa）。通過X 射線分析和掃描電鏡觀察，添加硅灰的含菌體混凝土抗滲透性效果顯著。

    黃琰等通過單因素影響的試驗方法分別通過鈣離子濃度、溫度和外添加劑鎳離子含量對誘導產物的產量作了研究。單因素試驗分別得出當鈣離子濃度為0.0252mol/L、溫度為30℃時，方解石產量最高。同時，鎳離子含量的多少與方解石產量成反比。

    1.2　好氧微生物誘導沉淀的研究現狀

    對好氧微生物自修復研究比較全面的荷蘭代爾夫特大學的HenkM. Jonkers 對微生物的存活率、強度增長進行了研究。

    Jonkers 等從堿性土壤中提取球形芽孢桿菌（耐堿菌種），將培養過的菌種與乳酸鈣營養液和混凝土共同澆注，通過MPN 觀察，該菌種在澆筑完成第9 天細菌存活量為1.6×106/cm3、第22 天細菌存活量為0.35×106/cm3、第42 天細菌存活量為0.25×106/cm3、四個月后細菌存活量為0.5×103/cm3。通過與無菌構件比較，混凝土構件的抗壓強度下降了10%，通過MIP 分析可以得出在調整細菌用量的基礎上，裂縫產生7 天后，微生物能對混凝土裂縫進行修復，而28 天后隨著微生物數量的減少，產生的碳酸鈣的量也逐漸減少，再次產生裂縫后，修復效果不理想。

    2　微生物修復技術進一步研究所要解決的問題

    2.1　培養基、微生物、緩沖溶液等和水泥基的兼容性

    微生物含量的多少直接影響裂縫的修復效果。很多研究表明，微生物含量過多會影響混凝土結構性能，而微生物過少，在需要修復的部位不存在微生物或者微生物含量過少，就會最終影響裂縫的修復。同理，如果在需要修復的部位營養液不足，也會對裂縫修復產生影響。緩沖溶液可以有效的控制微生物作用環境的PH，因此緩沖溶液的多少對微生物的存活量等有較大的影響。

    2.2　微生物混合溶液對混凝土耐久性的進一步研究

    厭氧微生物作用下混凝土的耐久性主要是以礦物沉積為研究方向，這方面所做的試驗工作比較多。好氧微生物作用下混凝土的耐久性研究較少，好氧微生物通過呼吸作用產生二氧化碳，會與混凝土中的Ca（OH）2 結合，因而降低了混凝土中的堿性，這對鋼筋的保護作用是不利的，但微生物在混凝土結構內部的呼吸作用又可以消耗內部的氧氣和部分水分，這對保護鋼筋又是有利的，這就需要對好氧自修復混凝土的耐久性，特別是對鋼筋的保護作用作進一步的研究，已達到對鋼筋保護的最佳方案。

    3　微生物修復技術應用的展望

    大量的實驗研究表明，微生物誘導碳酸鈣沉積物可以成功的應用在修復混凝土表面裂紋上。大量的礦物沉積是由于微生物的誘導后產生的，因此與傳統意義上的高分子補漏相比能夠更有益于環境的保護。厭氧微生物修復技術實驗室研究階段技術已經比較成熟，應用到工程上不僅要確定成分的最優比，而且還要考慮經濟效益。混凝土結構需要有較長的使用年限，在混凝土服役期間，如果好氧微生物的自修復技術能夠成功的應用到工程上，這對混凝土結構修復技術有著重要的意義，因為這不僅可以實現舊建筑物的自我修復，又可以實現新建建筑物的智能修復，因此好氧微生物的自修復的應用有著廣闊的應用前景。