太原理工大学 建筑与土木工程学院, 太原 030024
收稿日期：2019-01-10
基金项目：国家自然科学基金资助项目(51708386);中国博士后科学基金资助项目(2016M591416)
作者简介：张家广(1984-), 男, 副教授
通信作者：李珠, 教授, E-mail:lizhu@tyut.edu.cn
摘要：微生物矿化沉积能够有效地实现混凝土的裂缝自修复，从而延长混凝土结构的服役时间，然而直接掺入混凝土的微生物成活率会显著降低。该文以高孔隙率的膨胀珍珠岩作为微生物载体，研制了具有裂缝自诊断和自修复能力的混凝土，考察了不同类型矿化微生物对混凝土裂缝自修复效果的影响，并对混凝土裂缝处沉淀物进行了微观结构分析。试验结果表明：科氏芽孢杆菌和筛选的好氧型、兼性厌氧型、厌氧型混菌均具有良好的矿化沉积能力，混凝土经修复养护28 d后裂缝修复率分别达到73.3%、83.3%、63.3%和41.5%。微观结构分析结果表明：利用不同类型矿化微生物研制的裂缝自修复混凝土的裂缝处填充物为不同形态的碳酸钙晶体。研究结果可为基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复性能研究提供参考。
关键词：混凝土裂缝自修复混菌矿化沉积膨胀珍珠岩
Effect of mineralized bacteria type on concrete crack self-healing capacity
ZHANG Jiaguang, XU Shunshun, FENG Tao, ZHAO Lin, LI Zhu
College of Architecture and Civil Engineering, Taiyuan University of Technology, Taiyuan 030024, China
Abstract: Microbially induced carbonate precipitation (MICP) can provide self-healing of cracks in concrete to prolong the service life of concrete structures. However, the survival rate of the bacteria incorporated into the concrete directly affects the self-healing capability. This study used concrete with a high porosity expanded perlite as the bacteria carrier which possessed excellent crack self-diagnosis and self-healing properties. The study analyzed the effects of different types of mineralized bacteria on the concrete crack self-healing and the microstructures of the crystals inside the concrete cracks. The results show that a pure culture of Bacillus cohnii and a microbial consortia of aerobic, facultative anaerobic and anaerobic bacteria both exhibited excellent healing capacities. The crack healing rates of the concrete after curing for 28 days were 73.3% for Bacillus cohnii, 83.3% for the aerobic, 63.3% for the facultative anaerobic and 41.5% for the anaerobic bacteria. The microstructure analyses show that the crystals in the concrete cracks formed by different types of mineralized bacteria were various forms of calcium carbonate crystals. The results of the present study will be useful for further studies of the crack-healing properties of concrete based on MICP.
Key words: concreteself-healingmicrobial consortiamicrobially induced carbonate precipitation (MICP)expanded perlite
混凝土具有诸多优点使其可以广泛应用于建筑领域。然而其固有的脆性强、抗拉强度低的性质使得混凝土构件容易开裂，进而为水分、侵蚀性离子等物质提供通道，造成混凝土材料耐久性的降低，甚至造成灾难性事故[1-2]。
微生物具有体积小、繁殖快、种类多等特点，而部分微生物具有将特殊营养物质通过代谢、酶的水解等作用转化为矿物沉淀的功能，因此可作为自修复剂制备具有裂缝自修复功能的水泥基材料。基于微生物矿化沉积的裂缝自修复技术具有以下优点：1)微生物体积小，在混凝土拌制过程中可以实现在混凝土内部均匀分布，当裂缝产生后，微生物与营养物质组成的裂缝自修复机制开始工作，代谢生成矿物沉淀将裂缝填充；2)部分微生物能够在环境不满足生存条件时生成内生孢子，孢子有着更强的耐碱性、耐机械性，可长期存活，使得裂缝自修复行为贯穿整个建筑结构的服役周期成为可能；3)微生物矿化沉积的产物主要为不同形态的碳酸钙，碳酸钙与混凝土基质有较好的相容性，且碳酸钙为无机材料，对环境无负面影响，耐久性更高[3-5]。
目前基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复技术已成为相关领域研究的热点，不同种类矿化微生物也在混凝土制备过程中得到应用。Bang等[6]尝试将巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)固定在多孔聚氨酯泡沫(polyurethane)内，发现养护28 d后，所有加入聚氨酯固载巴氏芽孢杆菌修复材料后的试件的抗压强度均比未经修复的对比试件提高了11%~14%。Aimi等[7]将嗜热脂肪土芽孢杆菌(Geobacillus stearothermophilus)固载于海藻胶颗粒中制备裂缝自修复混凝土。试验结果表明：在修复养护28 d后，裂缝平均修复率可达100%(裂缝宽度范围0.13~0.76 mm)。袁晓露等[8]采用硅藻土负载高尿素酶活性的球形芽孢杆菌(Bacillus sphaericus)菌液，试验发现试件裂缝处愈合情况良好，微生物矿化产物为方解石型碳酸钙和菱镁矿型碳酸镁。Khaliq等[9]利用枯草芽孢杆菌(Bacillus subtilis)作为裂缝自修复微生物制备裂缝自修复混凝土，其裂缝修复宽度最大可达0.81 mm。从上述研究中可发现，具有矿化沉积功能的微生物种类较多，在载体的保护下其活性保持较好，所制备的混凝土试件表现出较好的裂缝修复效果。
目前有关微生物裂缝自修复混凝土的研究大多采用单一类型的微生物，且在适宜微生物生存的环境下进行试验。然而混凝土试件的工作环境往往是复杂多变的，因此单一种类的微生物抵御环境变化的鲁棒性可能存在不足。此外，多种微生物组成的微生物群，可以执行更复杂的任务，并且与单一微生物相比，在抵抗环境波动方面有着更好的表现[10-13]。基于此问题，本文利用膨胀珍珠岩作为微生物载体，分别以单一微生物(纯菌)、自行筛选的微生物菌群(混菌)作为矿化微生物制备裂缝自修复混凝土，并结合表观观测与微观结构分析对其混凝土裂缝修复效果进行研究，为基于微生物矿化的裂缝自修复混凝土深入研究提供参考。
1 试验概况1.1 微生物选用与培养本文的纯菌采用科式芽孢杆菌，将购买的冻干粉活化后，按照好氧型微生物的常规接种、培养方法，利用液体培养基对芽孢杆菌进行大量培养，培养基中各成分含量为：超纯水1 L、蛋白胨5 g、牛肉膏3 g、碳酸钠0.53 g、碳酸氢钠0.42 g、琼脂粉18 g。在摇床中经30 ℃、120 r/min转速恒温培养24 h后，得到含芽孢杆菌菌体以及孢子的菌液，并将所得菌液用蒸馏水稀释至OD600值为0.40。
与纯菌相比，混菌具有生存环境适应性更强、能够承担更多的复杂任务等优点。因此，课题组以乳酸钠为碳源，污水处理厂活性污泥与花园泥为分离接种源，分别在好氧、厌氧、兼性厌氧条件下，富集和驯化具有混凝土修复功能的混菌。其中，好氧型混菌选择培养液成分组成为：超纯水1 L、乳酸钠0.84 g、氯化铵0.02 g、微量元素液10 mL。厌氧型混菌选择培养液成分组成为：超纯水1 L、乳酸钠0.84 g、硝酸钠0.03 g、微量元素10 mL。好氧型混菌的驯化方法为：在300 mL锥形瓶中加入10 mL污泥混合液和100 mL好氧型选择培养液，用Na3PO4调pH至11，以无菌棉纱覆盖瓶口，在33 ℃恒温培养箱中静置培养2 d；后取上层菌液在相同操作下进行传统的连续传代富集，每隔一个周期(2 d)以10%的接种量转接到相同选择培养基中，连续转接10次左右。厌氧型混菌的驯化方法：在500 mL厌氧发酵瓶中加入30 mL污泥混合液和300 mL厌氧型选择培养液，同样调pH至11，后用氮气吹脱10 min以除氧，在33 ℃恒温振荡培养箱中，以120 r/min转速培养3 d；后续传代培养同好氧型相同，周期改为3 d。兼性厌氧型混菌驯化方法为：培养方式即好氧型与厌氧型菌培养的结合，先进行周期为2 d的好氧培养，再进行周期为3 d的厌氧培养，以此为一个周期，连续培养10个周期。最后，利用甘油保存法保存筛选所得不同类型菌液，于-80 ℃冰箱中保存备用。
1.2 自修复颗粒制备为了在混凝土基体中给微生物存活提供足够的生存空间，并保护微生物免受混凝土高碱环境的侵害，采用膨胀珍珠岩作为微生物载体，膨胀珍珠岩粒径为2~4 mm，堆积密度为79 kg/m3，筒压强度为153 kPa，吸水率为360%。将保存的菌泥利用蒸馏水重悬，并稀释至OD600值为0.40，通过微生物计数方法测得在该OD600值下，微生物菌液浓度约为3.6×109 cell/cm3，通过真空浸渍法在-0.06 MPa压力下吸附在膨胀珍珠岩颗粒表面及内部孔隙中，得到含菌膨胀珍珠岩颗粒，并在(40±2)℃环境下首次烘干至恒重。对第一次烘干的含菌颗粒表面喷涂酵母膏溶液，然后在(40±2)℃下再次烘干至恒重。为了降低膨胀珍珠岩的吸水率，避免混凝土制备时微生物扩散至其他部位以及混凝土搅拌和振捣过程中膨胀珍珠岩颗粒发生破裂，在制备混凝土前，对膨胀珍珠岩颗粒表面进行外包裹处理。所用外包裹材料为偏高岭土、硅酸钠溶液与水混合所得的浆体，浆体中各组分质量比例为硅酸钠溶液:偏高岭土:水=1.0:2.2:1.1。
1.3 混凝土试件制备制备混凝土的粗骨料采用级配良好的碎石，饼状试块最大粒径10 mm，堆积密度1 580 kg/m3，含泥量小于0.5%。砂子产自太原地区的普通河砂，细度模数为2.4，堆积密度1 460 kg/m3。水泥采用太原市狮头水泥厂生产的42.5级普通硅酸盐水泥。乳酸钙采用郑州郑亚化工产品有限公司生产的食品级乳酸钙，其有效物质含量为99%。硝酸钙采用试验用分析纯硝酸钙。减水剂采用聚羧酸系高效减水剂，减水率为25%~45%。水采用自来水。
试验测试试件包括以科氏芽孢杆菌作为纯菌制备的混凝土试件(BC)，并作为混菌的对比试件，然后分别以好氧型混菌、兼性厌氧型混菌以及厌氧型混菌为修复剂制备3组混凝土试件(分别以AEC、FAC和ANC编号)。各组混凝土试件配合比如表 1所示，对于BC和AEC试件，矿化微生物的营养物质采用乳酸钙；对于FAC和ANC试件，矿化微生物的营养物质采用乳酸钙与硝酸钙。将制备的混凝土试件脱模后在标准条件下养护28 d。
表 1 混凝土配合比
| 编号 | 水 | 减水剂 | 水泥 | 石子 | 砂子 | 乳酸钙 | 硝酸钙 | 微生物掺量 | |||||||
| kg | kg | kg | kg | kg | kg | kg | cell/cm3 | ||||||||
| BC | 257 | 4.8 | 484 | 1 211 | 519 | 9.68 | 0 | 5.2×108 | |||||||
| AEC | 257 | 4.8 | 484 | 1 211 | 519 | 9.68 | 0 | 5.2×108 | |||||||
| FAC | 257 | 4.8 | 484 | 1 211 | 519 | 4.84 | 4.84 | 5.2×108 | |||||||
| ANC | 257 | 4.8 | 484 | 1 211 | 519 | 4.84 | 4.84 | 5.2×108 |
表选项
1.4 裂缝修复效果表征将养护28 d后的饼状试块切割为100 mm×25 mm的饼状试件，然后利用三点抗折法将板件劈裂。将被劈裂的板件利用旋扭自锁式金属扎带旋紧绑扎组合，绑扎前在裂缝边缘处夹入硅胶薄膜，形成不同宽度的裂缝。在裂缝制造完成后，为了对出现裂缝的混凝土试件进行裂缝修复效果定点记录，沿被选裂缝每1.0 cm左右设置一个裂缝宽度观测点，并用标记笔标记。将标记完毕的混凝土试件放置水中进行修复养护，水温控制在(25±2)℃，分别在水中养护0、7、14和28 d后对标记点处进行裂缝宽度测量，通过宽度变化表征裂缝自修复性能。试验中，采用裂缝测宽点处各裂缝在不同修复养护时间下的裂缝闭合率φ、裂缝修复率σ以及28 d裂缝最大修复宽度d这3个参数来对裂缝修复效果进行量化分析[14]，其中：
| $\varphi / \%=\left(d_{0}-d_{t}\right) / d_{0} \times 100.$ | (1) |
| $\sigma=n_{\mathrm{s}} / N.$ | (2) |
在裂缝表观观测试验完成后，从试件裂缝处收集所生成的矿物晶体进行微观分析，微观试验所用仪器为日本电子生产的JSM-7100F型扫描电子显微镜。
2 试验结果与分析2.1 裂缝修复效果表观分析图 1为经修复养护0 d和28 d后不同混凝土试件的裂缝表观图。从图中可看出，经修复养护后，BC试件、AEC试件、FAC试件和ANC试件完全修复宽度分别可达到0.48、0.56、0.51和0.46 mm，并且裂缝处晶体饱满、密实，混凝土裂缝得到了有效的填充。从图 1f和1h中可看出，在裂缝观测点有明显的突出晶体形成，混菌呈现出良好的裂缝修复效果。以上结果表明，采用科氏芽孢杆菌以及自行筛选的不同类型混菌作为矿化微生物制备的裂缝自修复混凝土均可以实现裂缝的自修复，并且混菌表现出更优秀的裂缝修复能力。
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| 图 1 不同混菌试件修复养护28 d后裂缝表观图(a~d：修复养护0 d；e~h：修复养护28 d) |
| 图选项 |
2.2 裂缝修复效果量化分析图 2所示为裂缝测宽点处不同修复养护时间下的裂缝闭合率φ的示意图。从图 2a中可以看出，当修复养护时间达到7 d时，4组试件均有部分裂缝实现了完全修复，其中AEC试件与BC试件完全修复的裂缝观测点数目较多，而ANC试件完全修复的裂缝数目最少。图 2b为修复养护14 d后的裂缝闭合率φ，从图中可以看出，随着修复养护时间的延长，4组试件的裂缝闭合率均呈现上升趋势，未修复裂缝的闭合率主要集中在40%以上，均表现出较强的裂缝自修复能力。
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| 图 2 各组试块测宽点处裂缝修复率 |
| 图选项 |
如图 2c所示，随着修复养护时长达到28 d，BC试块的裂缝修复数量有所增加，且未修复的裂缝闭合率基本达到了50%以上，AEC试件的未修复裂缝数与修复养护14 d相近，裂缝的修复性能与14 d时相比无明显提升。而FAC试件的裂缝修复效果较14 d相比，未修复裂缝数明显减少，且未修复裂缝的裂缝闭合率φ值均达到了30%以上。对于ANC试件，其裂缝修复数与14 d相比有所提升，而对于未修复的裂缝，虽部分裂缝的闭合φ值有所上升，但整体变化不大。
图 3为修复养护28 d后，各组试件的裂缝最大修复宽度。从图中可以看出，AEC试件的最大裂缝修复宽度可达1.22 mm，分别为FAC、ANC试件的裂缝最大修复宽度0.74 mm、0.49 mm的1.65、2.49倍，为BC试块最大修复宽度为0.67 mm的1.82倍。从最大修复宽度来看，AEC试件表现出最佳的裂缝修复效果。
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| 图 3 修复养护28 d裂缝最大修复宽度 |
| 图选项 |
图 4所示为各组试件在经过不同修复养护时间后的裂缝修复率。从图中可以看出，随着修复养护时间的延长，各组试件的裂缝修复率均呈现上升趋势，在修复养护7 d时AEC与BC试件的裂缝修复率便可达到50%，而ANC试件的修复率仅为5.7%。随着修复养护时间的延长到28 d时，AEC与BC试件的裂缝修复率达到70%以上，分别为83.3%与73.3%，FAC试件的28 d裂缝修复率为63.3%，而ANC试块的28 d裂缝修复率为41.5%，相比其他3组试件的28 d裂缝修复率较低。可见，在修复养护28 d后，掺入不同矿化微生物的裂缝自修复混凝土均表现出较好的裂缝修复能力，其中AEC试件呈现最大的裂缝修复效率。
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| 图 4 各组混凝土裂缝修复率比较 |
| 图选项 |
通过上述结果可发现，向混凝土中掺入裂缝自修复剂颗粒与营养物质后，所制备的混凝土试件均表现出较好的裂缝自修复能力。载体的使用明显提高了微生物的生存能力，因而随着修复养护时间的增加，各组试块的裂缝修复点数量得以持续增加。对于BC试件，矿物沉淀的形成主要是微生物代谢活动的产物，其裂缝修复原理主要基于下述方程式：
| ${\rm CaC_{6}H_{10}O_{6}+6O_{2}→CaCO_{3}+5CO_{2}+5H_{2}O, }$ | (3) |
| ${\rm CO_{2}+Ca(OH)_{2}→CaCO_{3}+H_{2}O.}$ | (4) |
而兼性厌氧型菌群与厌氧型菌群，菌群中具有生成CaCO3能力的微生物含量较多，但2种菌液的无机碳转换率却不及好氧型菌群无机碳转换率的50%[10]，因而在宏观上表现为裂缝自修复能力比掺入好氧型混菌的混凝土试件差。此外，试件浸水修复养护期间所处环境并非厌氧环境，使得某些厌氧型微生物的活性受到影响，这也可能是厌氧混菌试件裂缝修复能力相对较差的原因之一。但FAC试件与ANC试件的裂缝修复率仍可达到63.2%与41.5%，表现出较好的裂缝修复能力，这是由于在微生物菌群中，微生物之间可协同工作，间接的形成CaCO3。在厌氧与兼性菌液中，具有发酵作用的微生物(如Acetobacterium和Gemmobacter等)将大分子碳源(如乳酸)代谢转换为更易于微生物利用的小分子碳源(如乙酸)，然后具有反硝化作用的微生物(如Alishewanel和Pseudomonas等)与其他微生物(如Azotobacter)以乙酸为碳源进行代谢，生成CO2，最终促进CaCO3形成[10, 15]。上述结果表明，对于混菌，微生物间能够组成工作网络，通过协同工作以实现在某些特殊环境中形成矿物沉淀，使得兼性厌氧型与厌氧型菌群具有应用在处于特殊环境中的混凝土结构中的潜力，从而扩大微生物自修复混凝土的应用范围。
2.3 微观形态分析图 5为各组试件裂缝处矿物晶体的微观结构图。从图中可以看出，不同矿化微生物作用下在裂缝处形成的晶体形态不同，但BC、FAC以及ANC试件裂缝处晶体类型堆积体中的块状颗粒呈棱柱体状，与方解石型碳酸钙形态相似；而AEC试件裂缝处的颗粒表面“针簇状”晶体呈棱柱状，棱柱状晶体的横截面直径大多小于1 μm，但晶体排列较为紧密，晶体形态与文石型碳酸钙形态相似。
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| 图 5 各组试件裂缝处矿物晶体微观结构图 |
| 图选项 |
上述讨论表明，以不同矿化微生物为裂缝自修复剂制备的自修复混凝土在裂缝处形成的矿物晶体有着不同的微观形态。在不同的试件中，变量仅为矿化微生物的种类，因此该现象进一步说明了微生物参与了裂缝处矿物结晶的形成。其他****的相关研究也表明[16]，微生物自身不仅可以作为成核位点，而且其新陈代谢活动中所产生的可溶性基质能够对沉积的碳酸钙起调控作用，可溶性基质的类型和浓度的不同，沉积的碳酸钙类型和形态会发生一定变化，因此将来有必要优化菌群结构，从而进一步有效提高菌群矿化沉积的鲁棒性，并且改进裂缝部位碳酸钙与混凝土基体的兼容性[17]。
3 结论本文利用不同矿化微生物制备具有裂缝自修复能力的混凝土试件，并考察了对裂缝修复效果的影响，主要得到了以下结论：
1) 利用膨胀珍珠岩将矿化微生物加入混凝土中，可提高微生物生存能力，修复养护28 d后，掺入好氧型混菌、兼性厌氧型混菌以及纯菌的混凝土试件裂缝修复率分别达到83.3%、63.3%和73.3%，掺入厌氧型混菌的混凝土试件裂缝修复率较低，仍可达到41.5%。
2) 不同矿化微生物均具有良好的矿化沉积能力，好氧型混菌呈现出最佳的裂缝修复效果，最大裂缝修复宽度可达1.22 mm。
3) 不同矿化微生物在混凝土裂缝部位会诱导沉积出不同晶体形态的碳酸钙沉淀，其中好氧型混菌形成类似文石晶体形态，其他矿化微生物形成类似方解石晶体形态。
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