混凝土的微生物自修复技术研究进展.pdf
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1、2 0 1 4 年 第8 期 总 第 2 9 8 期) Nu mb e r 8 i n 2 Ol 4( To t a l No2 9 8) 混 凝 土 Con c r e t e 理论研究 THEORETI CAL RE S EARCH d o i : 1 0 3 9 6 9 i s s n 1 0 0 2 3 5 5 0 2 0 1 4 0 8 0 1 2 混凝土的微生物 自修复技术研究进展 彭慧 a ,张金龙 ,刘冰 a ,邓旭 a ,邢锋 ( 深圳大学 a 生命学院;b 土木工程学院,广东 深圳 5 1 8 0 6 0 ) 摘要 : 混凝土其最大的缺点是表面及 内部容易产生微裂缝。 微生
2、物诱导碳酸盐沉积被认为是一种有效 的微生物修复混凝土的 策略, 目 前已逐渐引起人们的关注。 在阐述了混凝土裂缝 自修复机理的基础上, 对近年来利用微生物的碳酸盐沉积作用修复混凝土 方面的研究现状和成果进行了系统的综述, 并对未来该领域有待解决的一些问题提出建议 。 关键词 : 矿化微生物;碳酸钙 ;混凝 土;自 修复 中图分类号: T U 5 2 8 0 1 文献标志码 : A 文章编号 : 1 0 0 2 3 5 5 0 ( 2 0 1 4 ) 0 8 0 0 3 8 0 5 De v e l op m e n t o f m i c r o b i a l s e lf - he a l
3、 i n g t e c hn i q u e i n c o n c r e t e PENGHu P, ZHANG J i nl o n g , LI UBi n gLDENGXu , XI NGFe n g ( a C o l l e g e o f L i f e S c i e n c e s ; b S c h o o l o f C i v i l E n g i n e e ri n g , S h e n z h e nUn i v e r s i t y, S h e n z h e n 5 1 8 0 6 0 , Ch i n a ) Ab s t r a c t : A
4、s t h e e x t e n s i v e l y u s e d c o n s t r u c t i o n ma t e r i a 1 t h e ma i n d r a wb a c k o f c o n c r e t e i S i t s l i a b i l i ty t o c r a c k i n g o n t h e s u r f a c e a n d i n s i de Ba c t e r i a l l y i n d uc e d c a r b o n a t e p r e c i p i t a t i o n ha s b e
5、e n p r o p os e d a s a n e f f e c t i v e wa y t o h e a l t h e c r a c k a n d a r o us e d b r o a d c o n c e r n g r a d u a l l y Th e me c h a ni s m o fb a c t e ria l l y i nd uc e d s e l f - he a l i ng o fc o n c r e t e wa s e l u c i d a t e d, a n d r e c e n t r e s e a r c h i n
6、c l u d i n g s t r a i ns , s u bs t r a t e s a n d i n flu e nt i a l f a c t o r s o n c o n c r e t e h e a l i n g p r o c e s s wa s s umma r i z e dF ur t h e r mo r e, s o me po t e n t i a l p r o b l e ms e x i s t i n g i n t he fie l d we r e a n a l y z e d a nd t h e wa y t o s o l v
7、e t h e s e p r o b l e ms wa s s u g g e s t e d K e y w o r d s : mi n e r a l i z a t i o n mi c r o o r g an i s m ; c a l c i u m c a r b o n a t e ; c o n c r e t e ; s e l f - h e a l i n g 混凝土 因其具有牢 固结实 、 耐久性 高 、 价格相对低廉 等特点被广泛应用 于现代建筑工程 。 然而 , 随着使用年 限 的增加 , 几乎所有混凝土建筑都会不可避免地 出现微裂缝 , 其耐久性也随之受到
8、影响而降低 1 - 4 ) 。 如果不及时采取有效 处理措施 , 裂缝 可能会进一步扩大 , 使得水 、 氧气 、 二氧化 碳及氯化物等有害物质更容易进入 , 最终导致混凝土内部 的钢 筋结构 的腐蚀 。 因此 , 裂缝 可以视 为混凝 土结构故 障 的先兆圈 。 并不是所有的微裂缝在其形成初期都具有危 害性 或 会 引起结构 的不稳 固 , 在特 定的环境下 , 有些微 小裂缝 会 自动愈合 , 即所谓 的“ 自修复” 嘲 。 一般认为引发裂缝 自动愈 合的原因是一些基于化学 、 物理和机械力 学的过 程。 在混 凝土 中预先加入混凝土修复剂, 也能引起裂缝的 自修复7 - 9 。 虽然一些
9、传统的修复方法在一定程度上能有效修复微裂 缝 , 但仍存在修复时间长 、 效果不佳 、 修复过程难以调控等 诸 多问题。 自发现某些土壤细菌具有诱导碳酸钙 晶体 沉积的能 力后 , G o l l a p u d i 等【一 0 1 在 1 9 9 5 年首次尝试利用细菌诱导碳酸 收稿 日期 :2 0 1 4 - - 0 2 1 8 基金项目:国家基金委国际( 地 区) 合作与交流项 目( 5 1 1 2 0 1 8 5 0 0 2 ) 3 8 钙沉积对建筑基质渗漏进行控制 , 由此为混凝土的修复开 辟 了一 条新 的途径 , 受到 国内外研究者 的广泛关注 。 B a n g 等 1 1 用
10、聚亚安酯泡沫( P u) 固定巴氏芽孢杆菌, 在修复裂缝 同时又增加 了混凝土样 品的抗压强度 。 J i m e n e z L o p e z等 探索了一种应用无菌营养 基质原位诱导 C a C O 沉积的方 法 , 试验证明 , 石灰质石料本身含有 的微生物菌群 中存在 具有沉积 C a C O 潜力 的细菌 , 可被无菌营养基质活化并沉 积 C a C O 从而使石料加固。 相比传统混凝土修复技术而言, 利用生物材料本身具有的矿化性能实现对混凝土的修复 无疑是一种环境友好型的修复技术。 鉴 于国内尚无 针对混 凝土微生物 自修复方面的综述论文 , 本研究拟对近年来 国 内外在该领域取得
11、的研究现状及进展进行 较为全面 系统 的分析综述 , 并对今后 的研究提 出合理的建议 , 为促进微 生物 自修复技术在混凝土方面的应用提供有用 的信息 。 1 微 生物矿化作 用 自修 复混凝土的机 理 自然界 中一些微生物能通过某些特殊 的反应机制在 细胞内部或胞外生成一些化合物 , 从而选择性地填塞或黏 结具有渗透性的有孔介质 。 后来这些物质被证实是一些多 糖 、 各种聚合物 、 C a C O 、 磷钙土 、 硅石等一些有机或无机化 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 合物 。 磷钙石 、 硅土等有 特殊形态 的沉积 物只在某些特 殊的菌种 中才能形成 ,
12、 如趋磁性细菌所生成 的磁铁矿 、 单细 胞石 藻和硅 藻所 生成的硅 石等 , 这些过程不依赖于环境 , 完全 由菌体控制沉积过程。 绝大多数微 生物 主要 以不 同 形式沉积碳酸钙 , 该沉积过程受环境因素影 响较大且不涉 及特殊的结构形态 。 由于混凝土 的主要成分本质上就是钙 盐 , 因此利用微生物这种碳酸钙诱导沉积 的能力对混凝土 裂缝进行 自修复具备可行性 【】 q 。 厌氧微生物通过脲 酶水解尿素形成碳酸钙沉淀。 在细 胞 内尿素通过酶的一系列新陈代谢反应最终水解成氨 和 碳酸 , 伴随着碳酸盐平衡的转变( c o 到 H C O 3 和 c 0 ) , 混 凝土介质中的钙离子与
13、碳 酸根离子发生反应 , 从而在细胞 表面形成不溶性 的碳酸钙 C a C O , 沉积物, 使裂缝愈合 而 达到修复的 目的 。 过程 的总反应式如下 : C 0( NH: ) 2 + H2 0一CO + 2 NH; Ce l 1 Ca 2 + + CO 一 C e l l Ca C O3 2 0 0 1 年 , B a n g等f l 3 利用厌氧的 巴氏芽孢杆 菌( B a c i l l u s P a s t e u r i i ) 与含有外源脲 酶基 因( p B U l 1 ) 及 不含脲 酶基 因 ( p B U3 2 2 ) 的两种重组 大肠 杆菌 ( E c o l i )
14、 , 在添加或不添加 N一 羟基 乙酰胺 ( a c e t o h y d r o x a mi c a c i d , A H A, 一种脲酶竞争 性抑制剂 ) 情况下进行碳酸钙沉积对 比试验 。 结果发现 , 不 含微生物或掺有死亡的微生物的试件里没有观察到任何 沉积现象和新陈代谢活动 ; 在不添加 A H A的条件下 , 含有脲 酶基因( p B U1 1 ) 的重组大肠杆菌 和正常的巴氏芽孢杆菌都 出现了沉积现象 ; 而在添加 A H A的条件下 , 它们几乎不产生 矿质沉积( 如图 1 ) 。 这一结果说明了脲酶在微生物诱导矿 质沉积过程中的重要作用 , 验证了微生物 的酶化作用是
15、 引起 微 生物 碳 酸钙 沉 积 的关键 。 扫 描 电镜 ( s c a n n i n g e l e c t r o n m i c r o s c o p e , S E M) 和 x射线衍射 ( X r a y d i f f r a c t i o n , X R D) 的结果进一步证 实沉积的矿质 晶体物主要是方解石 , 同时 电镜结果显示在晶体内部发现有菌体嵌入。 由此推测, 微 生物不仅能诱导成矿 , 而且在矿化过程中为碳酸钙的沉积 提供成核位点。 25 。 l l 5 d1 0 u 5 B pa st e ur i i B pas t e ur i i +AH A +E
16、c o l i H B1 0 1 f p B U1 1 1 含 脲 酶基 因 十Ec o i l HB】 O】 f p BUl 】 ) + AHA +E c o l i HB1 0l ( p BR3 2 2 ) d 含 脲 酶 基 因 0 2 4 6 81 0 l 2 2 4 7 2 时间 h 图 1 N 一 羟基乙酰胺( AH A) 对巴氏芽孢杆菌( B P a s t e u r i i ) $ D 重组 大肠杆菌( E c o fi H B 1 O 1 ) 脲酶诱导方解石沉积的影响 好氧微生物 的矿化过程则是通过有 氧呼吸代谢底物 产生 C O , 与溶液 中的 O H 一 反应生成 H
17、 C O ; , 然后 在碱性条 件下与水泥浆 中的 C a 继续反应生成 C a C O 晶体 1 8 - 1 。 与基于脲酶代谢 的厌氧型微生物 的混凝 土裂缝修复 体系相 比, 好氧微生物菌 的有氧代谢修复为混凝土裂缝修 复提供 了另一种可能的选择 。 2 微 生物 自修复混凝土的影响因素 2 1 pH 环境 中的 p H可 以通过引起细胞膜电荷 的变化影响微 生物对营养物质 的吸收 , 从 而对微生物的矿化过程产生影 响。 有学者将 巴氏芽孢杆 菌与砂石混合成泥浆放人玻璃 圆 柱 , 并在其 中插入毛细管制造断裂面 , 然后将其放入装有 矿物培养基的容器 中进行 沉积防渗漏试验 , 结
18、果发现在形 成碳酸钙堵塞 裂缝 的过程 中反应体 系的 p H 与 C a C O 沉 积有一定关 系嘲。 他们推测在培养基中 , 单个微生物由于酶 的尿素水解产生氨 , 在细胞外创造了一个碱性 的微环境 。 细胞周 围的高 p H导致 了 C a C O 晶体的出现 。 当细胞浓度 过低时 , 单个微生物就会充当 C a C O 形成的成核位点 , 由于 微生物 的活动 , 当方解石在成核位点上开始沉淀时 , C a C O 晶体的生长将引起 p H的升高 , C O 的产生和细胞表面与 钙离子的结合 。 分析原因是因为在初使碱性 p H的条件下 , 随 着微生物代谢生命活动 的进行 , 产
19、生 了大量的 N 磁 或 O H 一 , 导致溶液 的 p H上升 , 当 p H达到一定的值时 , 开始 出现沉 积物 蚓 。 D i c k 等在研究修复劣化的石灰岩过程 中发现 , 球形 芽孢杆菌( B S p h a e r i c u s ) 和缓慢芽孢杆菌 ( 日 L e n t u s ) 的尿素 代谢驱动碳酸钙沉积。 反应开始的 4 h , 丑 h a e r i c u 组 的 p H 达到( 8 4 0 1 ) , 1 6 h 后 , p H则慢慢地上 升到 ( 9 0 0 2 ) 。 日 L e n t u s 组 p H最后也 达到( 8 0 e 0 6 ) 。 伴 随
20、着 p H 的上升 , 最 终使得碳酸钙发生沉淀 。 王瑞兴等 2 1 在微生物沉积碳酸钙 研究 中发现 , 虽然 p H由 7 0 至 9 0和由 9 0 至 8 0 时获得 的 沉积物都为方解石 , 但前后试验所形成 的颗粒形貌却发生 了明显 的改变 , 说 明 p H的变化不仅对碳酸钙 的形成有很 大的决定作用 , 同时对其形态 的多样性也有一定的影响 。 混凝 土材料整体呈碱性状态 , p H在 l 1 1 3 之间 , 而且 由内向外呈线性递减规律。 越深入混凝土 内部 , p H越高 , 对微生物活性的影 响越大 , 其矿化能力也会受到约束甚至 抑制。 因此要实现混凝土 内部微裂缝
21、 的微生物修复 , 微生 物本身在高 p H环境下能 否保持较高 的矿化活性 十分重 要 。 钱春香等 在对混凝土裂缝的微生物修 复效果进行研 究后发 现 , 4 0 d 左 右时裂缝 表面处 被碳酸 钙晶体完 全填 充 。 裂缝开 口处矿化形成 的碳酸钙最多 , 且 随着裂缝深度 的增加碳酸钙却在逐渐减少, 当混凝土裂缝深度超过 1 0 mm 时未发现微生物诱导形成的碳酸钙。 2 2 Ca 微生物修复混凝土裂缝主要是形成 C a C O 来达到修 复的 目的, 因此微生物 自修复混凝土裂缝 的过程需要提供 可溶性钙盐作为碳 酸钙沉积的前体。 王瑞兴 将 C a C 1 溶液加入 到 己培养
22、2 4 h的无 C a 2 存在的 巴氏芽孢杆菌菌液 中, 发现迅速产生沉淀 , 将其过 3 9 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 芽孢杆菌 ( B a c i l l u s s p h a e r i c u s ) , 将石灰试 件放人含有尿素 和氯化钙 的矿化培养基 中进行矿化沉积试验 , 5 d 后在石 灰试件裂缝表面有检测到 5 0 m菱形方解石 晶体生成 , 试 验试件整体重量增加了 0 3 1 1 g , 与未处理的石灰试件相 比, 试验组的样品试件水渗透性 明显下降。 R i v a
23、 d e n e y r a 等 3 0 则研究 了中度嗜盐菌 ( H a l m o n a s e u r i h a l i n a ) 对碳酸盐 的沉 积作 用发现矿物沉积受多种 因素影响 。 可见 , 不 同的微生 物在碳酸钙晶体形成时间 、 大小形态及混凝土修复后抗压 性 、 吸水性 、 渗透性等方面都存在明显差异。 考虑到混凝土的高碱性环境 , 用 于混凝土 自修复的微 生物 大多为嗜碱 菌3 1 。 现将主要的几种不 同菌种沉积碳酸 钙修复裂缝进行小结 , 见表 1 。 表 1 不同菌种沉积碳酸钙修复效果 菌种 培养基主要成分p H 沉积时间 晶体形态 修复效果 作者 2 5
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- 混凝土 微生物 修复 技术 研究进展
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