, 王先志 同济大学 先进土木工程材料教育部重点实验室, 上海 201804
收稿日期：2019-02-25
基金项目：上海市自然科学基金项目(17ZR1441900);中央高校基本科研业务费项目(22120180269);国家重点研发计划(2016YFC0700802-05)
作者简介：徐晶(1984-), 男, 副研究员。E-mail:nanonewman@126.com
摘要：利用微生物诱导成矿实现混凝土的开裂自修复，面临的首要问题是对菌体进行负载保护，而载体材料是关键。该文选取了掺入质量分数20%硅灰的硫铝酸盐水泥作为低碱性胶凝负载材料，通过对胶凝材料的pH值以及凝结时间的优化，并评价负载后细菌芽孢的活性，探索出了一个有效的负载体系。混凝土开裂自修复的测试结果表明：借助该负载体系，28 d可使最大约322 μm宽的混凝土裂缝得以完全修复。修复后，混凝土抗压强度恢复到损伤前的84%，水密闭性恢复至未损伤时的水平。
关键词：混凝土裂缝微生物自修复载体
Self-healing of concrete cracks by microorganisms loaded in low-alkali cementitious material
XU Jing
, WANG XianzhiKey Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 201804, China
Abstract: The primary issue for self-healing of concrete cracks by microbially induced mineralization is protection of the bacteria and the key to protecting the bacteria is the carrier material selection. This paper used calcium sulphoaluminate cement with 20% silica fume as a low-alkali binder type carrier material. An effective loading method was developed by regulating the binder pH and setting time through evaluations of the bacterial spore activity in this carrier. The concrete crack self-healing was successful up to a maximum crack width of about 322 μm that could be healed after 28 days. After the self-healing, the concrete compressive strength recovered up to 84% of the original strength with the water tightness completely restored.
Key words: concretecrackmicroorganismself-healingcarrier
早在20世纪70年代，微生物诱导成矿现象就已开始受到人们关注[1]。目前，微生物成矿已被广泛应用于砂土固化、文物保护、重金属固结等领域[2-7]。自Jonkers等[8-9]首次提出微生物自修复的概念以来，利用微生物成矿实现混凝土的自修复已成为了研究热点。在搅拌过程中将嗜碱或耐碱性细菌芽孢体及营养物质掺入混凝土，硬化后的混凝土一旦开裂，外界的水和氧气进入裂缝并触发芽孢复苏，进而经由细菌代谢成矿修复裂缝[10-13]。
然而，由于混凝土内部的高碱性环境和生长空间的限制，对菌体的存活造成很大压力。目前已发现，随着水泥水化的持续进行，混凝土内部孔径不断减小，pH值通常在13以上，在该条件下细菌存活时间最多为4个月[9]。因此，为了提高微生物存活概率并延长服役寿命，需要引入合适的载体对菌体进行保护。目前，人们在载体材料的选择上已做了大量的研究工作。Wang等[14-16]先后采用了硅藻土、水凝胶、有机微胶囊作为负载介质来提高混凝土内部细菌的存活率，结果表明负载后菌体的活性均有不同程度的保持度，并在碱性环境下能有效分解目标物质。Alazhari等[17]采用膨胀珍珠岩作为载体分别负载菌体和营养物，发现当膨胀珍珠岩取代20%细骨料时，可获得明显的自修复效果。Bundur等[18]研究了铵盐引气剂对细菌存活量的影响，发现引气剂的使用对修复体系中细菌的存活有正面作用。Er?an等[19]选用不同的多孔介质作为硝酸盐还原细菌的载体，证明了活性炭的高比表面特性可以有效保护混凝土内部的细菌。
尽管目前在负载材料的选择和负载方式方面已有较多的研究，但在负载介质与基体的相容性以及负载量方面仍存在可提升空间。本文以一种低碱性的硫铝酸盐水泥基胶凝材料作为微生物自修复组分的载体，在保证与混凝土基体相容的基础上，能够进一步提高修复剂的负载量，从而实现混凝土开裂的有效自修复。同时，本文也将从裂缝修复图像分析、力学性能和水密闭性几个方面来综合评价在该负载体系下混凝土的裂缝自修复能力。
1 实验1.1 菌种的培养及收集采用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii)作为工作菌株，使用促芽孢培养基(蛋白胨5 g/L、牛肉膏3 g/L、尿素20 g/L、一水合硫酸锰0.01 g/L，pH=8)进行培养。培养基灭菌后接种菌株，然后在恒温水浴振荡器中以20 ℃、100 r/min振荡速度培养。培养细菌14 d后，在离心机上以4 000 r/min离心10 min，经无菌生理盐水反复洗涤后获得浓缩菌液，并在80 ℃水浴中处理20 min去除残余营养体以确保均为芽孢，最后放置在4 ℃冰箱存储。
1.2 修复剂载体制备及负载过程1.2.1 载体材料优化为提高芽孢对负载材料的适应性，在硫铝酸盐水泥中掺入硅灰以进一步控制pH值，对比测试了硅灰掺量分别为0%、20%、40%的硫铝酸盐水泥。按10:1的大水灰比将材料搅拌均匀配制成浆液，置于密封的锥形瓶中，在振荡器中振荡1 h，使用漏斗过滤后测定滤液的pH值。同时，配制同样数量和水灰比的普通硅酸盐水泥滤液进行对比。
为获得芽孢及营养物质在载体中的最佳负载量，对比测试了不同芽孢及营养物质掺量对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响。硫铝酸盐水泥浆体的水灰比为0.5，掺入菌悬液的浓度为109 cfu/mL (cfu为菌落形成单位(colony-forming unit))，掺入的营养物质为牛肉膏和蛋白胨(质量比3:5)，掺入量占水泥质量分别为1%、1.5%、2%、3%、4%(表 1)。
表 1 载体胶凝材料中营养物质及细菌掺量
| 组别 | 硫铝酸盐水泥/g | 水/g | 菌悬液/mL | 蛋白胨/g | 牛肉膏/g |
| R | 100 | 49 | — | — | — |
| S | 100 | 49 | 1 | — | — |
| SN1 | 100 | 49 | 1 | 0.62 | 0.38 |
| SN1.5 | 100 | 49 | 1 | 0.94 | 0.56 |
| SN2 | 100 | 49 | 1 | 1.25 | 0.75 |
| SN3 | 100 | 49 | 1 | 1.88 | 1.12 |
| SN4 | 100 | 49 | 1 | 2.50 | 1.50 |
表选项
1.2.2 芽孢活性检验为检验负载后的芽孢在一般条件下以及高碱性环境下的活性，以尿素分解量和菌密度作为指标进行评价。其中：尿素分解量采用二乙酰一肟分光光度法[20]检测，菌密度采用平板计数法测试。将10 g硫铝酸盐水泥、2 g硅灰、1 mL浓度为109 cfu/mL的菌悬液与5 g水混合均匀，然后在20 mm×20 mm×20 mm的模具中成型，于标准养护室内养护3 d后脱模。将脱模后的试块碾碎并磨成细粉，置于40 ℃烘箱中烘干，最后过80 μm筛。制备大水灰比(10:1)下的普通硅酸盐水泥碱性滤液，采用浸泡24 h的方式分别对芽孢以及负载后的粉剂进行预处理，以模拟高碱性环境作用。随后将1 mL菌悬液或18 g负载粉剂加入含3 g/L牛肉膏、5 g/L蛋白胨、20 g/L尿素的无菌培养液内培养并测定尿素分解量。未经预处理的芽孢菌悬液或负载粉剂采用同样方式进行培养并测尿素分解量。同时，制备不包含芽孢的粉剂以作对比。
1.3 自修复测试1.3.1 混凝土试件制备所用水泥为海螺P.O 42.5水泥，中砂，采用水灰比为0.5，胶砂比为1:3，负载后的修复粉剂掺量占水泥质量的5%。为保证试块在受压开裂后保持完整，掺入了玄武岩纤维，同时加入聚羧酸型减水剂以改善拌合物流动度。共设计了3组试件以对比修复效果，具体见表 2。试件尺寸为50 mm×50 mm×50 mm，搅拌后浇筑成型，24 h后脱模并在标准养护室中养护27 d待测。
表 2 自修复混凝土试件材料配比
| g | ||||||||
| 组别 | 水 | 水泥 | 砂 | 纤维 | 修复粉剂 | 尿素 | 硝酸钙 | 减水剂 |
| R | 125 | 250 | 750 | 8.3 | — | — | — | 0.8 |
| AC | 125 | 250 | 750 | 8.3 | 12.5 | 2.5 | 1.5 | 1.0 |
| M | 125 | 250 | 750 | 8.3 | 12.5 | 2.5 | 1.5 | 1.0 |
| 注：AC组每g修复粉剂含5.5 mg蛋白胨、3.3 mg牛肉膏；M组每g修复粉剂含5.5 mg蛋白胨、3.3 mg牛肉膏、107 cfu芽孢。 | ||||||||
表选项
1.3.2 裂缝制造将养护完成的试块放置于40 ℃烘箱中干燥，至24 h内质量变动不超过0.1%为止。采用压力试验机以0.01 mm/s的加荷速度对各个试块进行加载，当试块表面产生裂缝并且超过最大荷载值时停止加载，记录该最大荷载值为修复前抗压强度。将试块置于20 ℃环境下进行干湿循环以观察自修复过程。其中一个循环为：试块浸没在水中1 h，随后在相对湿度60%的空气中放置11 h。总共进行28 d。
1.4 自修复效果评价1.4.1 裂缝修复图像分析采用500×数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂缝。利用ImagePro Plus软件对图像进行处理，测量修复前后裂缝宽并记录。
1.4.2 水密闭性采用毛细吸水率来表征开裂试块修复前后的水密闭性。测试时，将试块放入40 ℃烘箱中干燥至24 h内质量变动小于0.1%，然后放入底部装有木格栅的水箱里，将水加至超过试块上表面5 cm，使试块完全浸没在水中，每隔5 min取出，用湿毛巾擦干表面的水分，称重并记录质量。按式(1)计算毛细吸水系数S。
| $\frac{Q}{A}=S \sqrt{t}.$ | (1) |
1.4.3 力学性能28 d修复完成后，将样品烘干，采用压力试验机(加载速度为0.01 mm/s)加载至最大荷载并记录为修复后抗压强度。根据式(2)计算强度恢复率R。
| $R=\frac{C_{28}}{C_{0}} \times 100 \%.$ | (2) |
2 结果与讨论2.1 修复剂载体的优化图 1为不同配比下大水灰比水泥浆体滤液的pH值。普通硅酸盐水泥的pH值最大，达到12.8，而硫铝酸盐水泥的pH值在11左右。掺入20%的硅灰后pH值进一步下降，然而当硅灰掺量从20%提高到40%，pH值并没有明显变化。同时，过高的硅灰掺量会影响拌合物的流动性。因此，选用了掺入20%硅灰的硫铝酸盐水泥中作为微生物修复剂的载体材料。
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| 图 1 不同配比下大水灰比水泥浆体滤液的pH值OPC：普通硅酸盐水泥；CSC：硫铝酸盐水泥；CSC+20%SF：掺20%硅灰的硫铝酸盐水泥；CSC+40%SF：掺40%硅灰的硫铝酸盐水泥 |
| 图选项 |
芽孢及不同掺量的营养物质对硫铝酸盐水泥凝结时间的影响如图 2所示。芽孢的掺入对硫铝酸水泥凝结时间无显著影响，而营养物质的掺入倾向于延长凝结时间，当其所占比例超过1.5%时，初、终凝结时间显著延长。因此，后续修复剂中营养物质的负载量选择为占低碱胶凝材料质量的1.5%。
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| 图 2 芽孢及不同掺量的营养物质对胶凝材料凝结时间的影响 |
| 图选项 |
2.2 芽孢活性检验未负载和负载后的芽孢一部分在尿素培养液中培养，另一部分先经碱溶液预处理再接入尿素培养液内。各自的尿素消耗量以及菌密度随时间变化曲线如图 3所示。未经碱溶液预处理的自由芽孢分解尿素速度最快，1 d内尿素几乎被完全分解，而菌密度在第1天也增长了一个数量级。经过碱溶液预处理后的自由芽孢对尿素的分解速度有所延缓，但2 d后尿素可以被完全分解。相应地，菌生长的延滞期也有所延长。经低碱性胶凝材料负载后的芽孢，在未经碱溶液处理的情况下，前期的尿素分解及菌生长速率缓慢，从5 d后速率才开始加快。经过碱溶液处理的负载芽孢的分解速率在前期出现了小幅度滞后，但10 d后的尿素分解量以及菌密度与未负载芽孢一致。无芽孢负载的材料粉剂未观察到尿素分解以及菌生长。
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| 图 3 芽孢活性检验分析结果 |
| 图选项 |
可见，短期内碱溶液处理和负载对菌活性均有一定的负面作用，但从长期来看，负载可保持菌活性。负载可为菌体提供空间。由图 4可见，硫铝酸盐水泥水化后的产物颗粒内能够观察到大小近1 μm的芽孢体，直观地证实了芽孢已被有效地负载于所制备的载体粉剂颗粒上。
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| 图 4 负载芽孢后的修复粉剂颗粒微观形貌 |
| 图选项 |
2.3 修复效果表征2.3.1 裂缝修复图像分析图 5为自修复试块修复前后表面裂缝对比。经过28 d修复后，空白对照组R的裂缝宽度基本没有任何变化；仅添加营养物质的AC组裂缝内可观察到有少许填充物；而同时负载有芽孢及营养物质的M组试块修复效果最佳，其裂缝几乎被白色物质完全填充。对裂缝修复情况进行量化统计，结果如图 6所示。经过28 d自修复，R组裂缝的最大填充宽度为56 μm，而仅有36 μm以内宽度的裂缝能100%填充；AC组中仅包含营养物质，其可修复裂缝宽度最大为244 μm，100%填充宽度为150 μm。一般认为，即使不加入菌，环境中存在的少量杂菌也能在一定程度上引发成矿，不过本实验中观察到该种情况下产生的沉积产物较为松散。相比之下，M组试件的裂缝修复能力显著提高，最大修复宽度为417 μm，其中实现100%愈合的裂缝宽度达到了322 μm。裂缝修复的统计定量表征充分证实了微生物诱导成矿能够有效提高混凝土裂缝的自修复能力。
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| 图 5 混凝土试件表面裂缝自修复前后对比 |
| 图选项 |
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| 图 6 裂缝修复的统计分析 |
| 图选项 |
2.3.2 水密闭性图 7为混凝土试块在自修复前后的毛细吸水率曲线。可以看出，开裂后试块的吸水率迅速提高，而经过28 d自修复后，各组试件的吸水率均有所降低，其中R组的吸水率相对最大，AC组次之，而M组的吸水率几乎恢复到开裂前的状况，其40 h吸水率已与未开裂试块相同。可见，微生物诱导成矿通过及时有效地填充裂缝，能够恢复混凝土水密闭性，从而阻碍有害物质的侵入，延长混凝土结构的使用寿命。
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| 图 7 混凝土试件自修复前后的毛细吸水率 |
| 图选项 |
2.3.3 力学性能图 8是各组试件自修复前后抗压强度情况对比。AC组和M组试件的首次抗压强度与对照R组差异均在5%以内，因而可以认为修复剂的掺入并未对混凝土强度造成影响。经28 d自修复后，R组的抗压强度恢复率仅为37%，AC组强度恢复率为46%，而M组的强度恢复率达到84%。可见，仅含营养物质的AC组能够提高受损混凝土的抗压强度恢复率，但提高程度有限。微生物的存在可以显著提高受损混凝土抗压强度恢复能力。微生物矿化产生的沉积产物不仅可以填充裂缝，且产物还包含一定比例的生物胶质，具有一定的胶结能力[21]，能够桥接裂缝或钝化裂缝尖端，从而达到恢复开裂后混凝土基体强度的目的。
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| 图 8 混凝土试件自修复前后的抗压强度 |
| 图选项 |
3 结论1) 通过对比胶凝材料的pH值及凝结时间，选取了掺有20%硅灰的硫铝酸盐水泥作为低碱性胶凝负载材料，并确定微生物修复剂的最佳负载量为占低碱胶凝材料质量的1.5%。
2) 采用尿素分解量评价负载后微生物芽孢在模拟碱性环境下的活性，发现经负载后的芽孢在短时间内的活性会受到抑制，但从长期来看，芽孢活性可以得到较好的保持。
3) 将得到的低碱胶凝材料负载微生物修复剂应用于混凝土试件，经28 d自修复后，宽约322 μm的混凝土裂缝可完全修复，修复后抗压强度恢复至开裂前的84%，水密闭性恢复至开裂前水平。
参考文献
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