韓強強，路 偉，姜 魯，王亞妹

(寧夏大學土木與水利工程學院，銀川 750021)

0 引 言

20世紀80年代初，中國基礎設施建設速度加快，各個領域?qū)炷恋男枨罅块_始增多，對混凝土力學性能的要求也逐漸提高，如道路橋梁與渡河、深海樁基、房屋建筑、地下交通和水利工程等領域。盡管各領域的建筑功能不同，要求也不同，但混凝土的開裂是面臨的共性問題[1-4]?；炷猎诔尚秃褪褂脮r容易產(chǎn)生裂縫，影響混凝土構(gòu)件的整體性和使用性能，同時還威脅著結(jié)構(gòu)安全。如果不能及時修復裂縫，將導致建筑結(jié)構(gòu)老化。為解決這些問題，研究者加大了對混凝土自身性能的研究力度，研究發(fā)現(xiàn)，普通混凝土自身也具有一定的修復能力[5-8]，這種修復能力源于混凝土在沒有完全水化的前提下所保留的繼續(xù)水化潛力。圖1解釋了水泥在外部環(huán)境下自主修復發(fā)生的機制，當裂縫產(chǎn)生后，外界的水(H2O)、二氧化碳(CO2)進入裂縫，和構(gòu)件內(nèi)部的鈣離子(Ca2+)結(jié)合生成碳酸鈣(CaCO3)沉淀。然而這種修復需要持續(xù)很長的時間，并且修復效果不理想，在后期開裂后混凝土不具有自診斷、自修復的能力[9]。為了能夠達到讓混凝土具有自診斷、自修復的目的，裂縫的自修復開始被提出[10-11]，自修復混凝土作為一種可以完成自診斷、自修復的智能型混凝土成為了當今領域的研究熱點[12-15]，研究者借助具有膠結(jié)作用或物理還原作用的智能材料，如內(nèi)包修復劑的微膠囊[16-18]和中空纖維管[19-21]、形態(tài)記憶合金等[22-23]，將其與混凝土組合成為具有自診斷、自修復的新型混凝土。然而，利用微膠囊和中空纖維管包裹修復劑面臨著諸多問題，如包裹材料和水泥基材料不兼容、耐久性差、尺寸難以控制等，并且內(nèi)部修復劑損耗后難以補充，從而喪失自修復的功能。而形態(tài)記憶合金的適用領域又極其狹窄，其對梁式構(gòu)件有著很好的自修復作用，但是在地下隧道襯砌、道路建筑等領域難以發(fā)揮作用。

圖1 混凝土基材料的修復方式

具有自診斷、自修復特性的微生物自修復混凝土不僅可以和水泥基材料有很好的兼容性，還具有多次休眠激活、長期保持待機狀態(tài)的能力[24-25]，可彌補上述自修復混凝土的弊端。除此之外，微生物自修復混凝土的適用領域要遠遠大于形態(tài)記憶合金混凝土，在地下結(jié)構(gòu)、隧道、深海樁基、水利工程、大壩結(jié)構(gòu)等領域具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。微生物自修復方法通過細菌的新陳代謝捕捉周邊Ca2+生成沉淀，從而填補裂縫，如圖2所示，內(nèi)部的微生物活體在干燥、缺氧的環(huán)境下，能夠以孢子形態(tài)休眠[26-27]，在裂縫產(chǎn)生后，H2O和氧氣(O2)進入到混凝土內(nèi)部，從而誘發(fā)孢子激活，微生物發(fā)生代謝產(chǎn)生礦化產(chǎn)物，這種礦化產(chǎn)物不僅可以很好地填充裂縫，阻止外部腐蝕粒子繼續(xù)侵入混凝土構(gòu)件，而且具有發(fā)現(xiàn)裂縫及時、無需借助外部措施便能填補裂縫等優(yōu)點。

圖2 基于微生物礦化的混凝土裂縫自修復原理

隨著微生物自修復混凝土的發(fā)展，衍生出了不同的修復體系。這些體系大致可分為兩種：其一是一元修復體系，該體系加入單一的菌體，通過一種代謝途徑誘發(fā)微生物礦化來實現(xiàn)填補裂縫的目的；其二是多元修復體系，該體系通過加入多種菌體，使各個菌體協(xié)同作用，共同誘發(fā)礦化物沉積從而達到裂縫自修復的目的。

本文結(jié)合國內(nèi)外的研究成果，詳細分析了以上兩種修復體系的差別，總結(jié)了各自的優(yōu)缺點，并對微生物自修復混凝土的體系選擇提出建議。

1 一元與多元修復體系的區(qū)別

在國內(nèi)外微生物自修復混凝土的發(fā)展過程中，研究人員面臨的第一個問題是菌種的選擇。研究發(fā)現(xiàn)適用于自修復的細菌主要分為兩類：其一是通過分解尿素達到自修復的產(chǎn)脲酶菌；其二是依靠呼吸過程來生成碳酸鹽的非尿素分解細菌。此兩種細菌都能夠在相應條件下達到很好的修復效果。通過選擇不同的菌種，將微生物和營養(yǎng)物質(zhì)通過特殊的方式摻入到混凝土中。依靠單獨摻入一種菌體的代謝來誘導礦化物沉積便是一元修復體系的修復方式；以上述兩種不同細菌的修復機理為核心，選擇性地添加輔助菌落來輔助具有礦化沉積功能(MICP-B)的核心菌落代謝，或者多種核心菌落協(xié)同作用從而達到修復的目的，便是多元修復體系的修復機理。

兩種修復體系最大的差別為是否具有多種不同的代謝途徑，一元修復體系是簡單依靠一種微生物的代謝。目前為止，最普遍的方式是選用一種嗜堿菌和營養(yǎng)物質(zhì)，通過直接摻入[28]、共同固載[29-30]、分別固載[31-34]等方式拌入混凝土中，同時加入其他外加劑，如氧氣緩釋劑[35]或一定量的纖維[36-38]等，來協(xié)助菌落的代謝。但是，通過添加外加劑的方式來協(xié)助核心微生物的代謝面臨眾多的問題，如加入一定量的氧氣緩釋劑用于協(xié)助喜氧細菌的新陳代謝，當氧氣緩凝劑消耗完后，細菌的后期代謝將會受到很大的影響，不利于后期裂縫的自修復，同時以加入纖維的方式用來增加成核位點達到更高效捕捉Ca2+的目的，雖然能夠通過提高生成沉淀(CaCO3)的量來更好地修復裂縫，但是如果纖維摻量過多，纖維之間的孔隙會影響混凝土的力學性能，摻量過少又難以達到優(yōu)化捕捉Ca2+的目的，并且纖維間的孔隙仍然存在氧氣量不足而無法修復的問題。有研究表明，加入適量的外加劑雖然可以優(yōu)化混凝土自修復系統(tǒng)，但是試件在早期的抗壓強度卻低于未加入添加劑的試件[39]，這也是由于一元修復體系的代謝方式單一，對添加劑的依賴也變得十分嚴重，進而導致添加劑的負面影響會出現(xiàn)在混凝土的某個時期。

多元修復體系不僅可以用其他活體菌落來代替一些外加劑的作用，而且還能利用不同菌體之間的協(xié)同作用來產(chǎn)生碳酸鹽，如加入酵母菌來輔助巴氏芽孢桿菌的代謝反應[40-42]，可以提高裂縫修復的深度。Zhang等[43]在厭氧和缺氧環(huán)境下，通過加入內(nèi)含其他細菌的活性污泥與枯草芽孢桿菌混合培養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)裂縫修復寬度可以達到1.2 mm，這在微生物自修復領域中是十分罕見的。不僅如此，現(xiàn)實中混凝土構(gòu)件所服役的環(huán)境具有復雜多樣性，周邊環(huán)境中細菌種類繁多，相互之間聯(lián)系緊密，與一元修復體系差別巨大，相反多元修復體系下的抗逆性能力強，與單一菌種不同，因各個修復體系緊密相連，協(xié)同共生，能夠共同承擔更多的任務，抵抗更大來自于外部環(huán)境的沖擊。

2 一元與多元修復體系的修復機理和修復效果

2.1 一元修復體系的修復機理

到目前為止，在微生物自修復領域研究中提及最多的是一元修復體系。在一元修復體系中微生物的選用十分重要，不僅需要獨立面對外部環(huán)境的影響，又要承擔修復細微裂縫的責任，所選細菌不僅要能夠適應混凝土內(nèi)部的強堿環(huán)境，而且也需要有很好的礦化效果，表1列出了一元修復體系中最常用的微生物種類[31,44-57]。

表1 一元修復體系下細菌的選擇

(1)產(chǎn)脲酶菌。在細菌的分類中，產(chǎn)脲酶菌是最為普遍的一種細菌，這種細菌可以依靠堿性環(huán)境生存，礦化產(chǎn)物也能夠與水泥基很好地兼容在一起，礦化機理如圖3所示，產(chǎn)生的脲酶可以在第一階段將尿素(CH4N2O)分解為氨氣(NH3)及氨基甲酸酯(NH2COOH)，NH2COOH在第二階段自發(fā)水解生成NH3和碳酸(H2CO3),NH3和H2CO3在第三階段進一步生成碳酸氫根離子(HCO-3)及氫氧根離子(OH-),隨后在第四階段HCO-3、OH-結(jié)合生成碳酸根離子(CO2-3),這些CO2-3與吸附在細胞表面的Ca2+結(jié)合生成沉淀，達到修復裂縫的目的。研究[58-59]表明將含有產(chǎn)脲酶菌的混合液直接滴入到事先做好的裂縫中，試件裂縫得到了修復。然而，如果將菌液直接拌入混凝土中，并不能達到自修復的目的，其原因是微生物在攪拌過程中受外部擠壓以及混凝土內(nèi)部高堿性環(huán)境影響，從而導致大部分芽孢生存時間低于4個月[28]。為此，一些研究人員[60-61]將產(chǎn)脲酶菌通過陶粒負載拌入混凝土試件，在開裂后養(yǎng)護7 d發(fā)現(xiàn)超過60%的0.4～0.5 mm的裂縫被修復,在開裂后養(yǎng)護28 d發(fā)現(xiàn)可以修復0.51 mm的微裂縫，自修復效果明顯。脲酶的活性會影響CaCO3沉淀的產(chǎn)出[62-63]，這也意味著提高脲酶活性不僅可以高效產(chǎn)出CaCO3沉淀，也可以間接加快混凝土裂縫修復的時間。為了找到與水泥基兼容性更好的細菌，選用的菌種不僅能夠在高堿等惡劣環(huán)境下存活，其礦化產(chǎn)物的微觀物相也應該和水泥基具有很好的兼容性。研究[43,64]表明，目前發(fā)現(xiàn)在微生物自修復領域CaCO3晶相類型主要為方解石、文石、球文石三種。各種晶體的優(yōu)劣表現(xiàn)在不同的方面，其中方解石的穩(wěn)定性最好，文石的穩(wěn)定性雖然低于方解石但是強度和密度卻高得多，這說明文石具有很好的機械性能。研究人員[64-65]通過更改巴氏芽孢桿菌在礦化中的鈣源，發(fā)現(xiàn)礦化所產(chǎn)生的CaCO3的晶相類型得到了改變。當鈣源為氯化鈣時，礦化產(chǎn)物晶體主要為方解石和球文石，當鈣源為醋酸鈣時，所沉積晶體主要為球文石。這表明沉積晶體的物相可以通過改變鈣源而改變，但是對于沉積物混合物相的修復效果以及修復后的力學性能對比還有待進一步研究。

圖3 產(chǎn)脲酶菌礦化機理

盡管產(chǎn)脲酶菌具有礦化物合成量大、產(chǎn)量高、穩(wěn)定性強等優(yōu)點，但是對于修復環(huán)境的要求卻十分苛刻。Wang等[31]發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)脲酶菌在干濕循環(huán)養(yǎng)護的條件下裂縫修復效果最好，裂縫最大修復寬度接近1 mm，但在濕度大于95%的濕環(huán)境下的修復效果幾乎為0，這主要是由于在干濕循環(huán)養(yǎng)護條件下，產(chǎn)脲酶菌能夠更好地接觸O2，從而提高尿素的分解速率，進而更好、更快地產(chǎn)生礦化產(chǎn)物。不僅如此，脲酶的活性也與水泥基內(nèi)部環(huán)境的pH值、外加劑種類、營養(yǎng)物質(zhì)濃度、內(nèi)部溫度及鈣源有很大的關系，并且產(chǎn)脲酶菌在礦化過程中會向空氣中釋放NH3。到目前為止還沒有有效的手段去克服這些不足，從而限制了產(chǎn)脲酶菌在混凝土中的應用。

(2)非產(chǎn)脲酶菌。針對產(chǎn)脲酶菌產(chǎn)生的不足，學者們不得不將注意力放在非產(chǎn)脲酶菌上，開始將注意力放在依靠捕捉碳源以及轉(zhuǎn)化碳源進行呼吸作用的非產(chǎn)脲酶菌的研究上。研究發(fā)現(xiàn)在非產(chǎn)脲酶菌中有很多不同種類的礦化機理，根據(jù)礦化機理的不同可以將非產(chǎn)脲酶菌分成三大類：其一，依靠有機碳向無機碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌；其二，依靠捕碳轉(zhuǎn)化碳酸的好氧性非產(chǎn)脲酶菌；其三，厭氧性反硝化菌。

①依靠有機碳向無機碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌。在以這種非產(chǎn)脲酶菌為核心的修復體系下[29,66]，沉淀(CaCO3)生成主要被兩個因素所驅(qū)動：其一，因細菌表面帶有負電荷，會將Ca2+吸引在細菌表面形成成核位點，有利于沉淀的生成;其二，非產(chǎn)脲酶菌將有機酸鹽消耗掉作為碳和能量的來源，這些有機酸鈣生成CO2和H2O并進一步和水泥基內(nèi)部的堿性物質(zhì)(Ca(OH)2)反應生成沉淀(CaCO3)進而達到修補裂縫的目的。圖4描述了依靠有機碳向無機碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌的礦化機理，細菌在第一階段通過代謝將醋酸鈣(Ca(C4H6O4))轉(zhuǎn)化為CaCO3和CO2，CO2在第二階段和Ca(OH)2反應再一次生成CaCO3，從而達到修補裂縫的目的。盡管這種修復方式不像產(chǎn)脲酶菌一樣排放有害氣體，但是在早期研究[32]中發(fā)現(xiàn)，此種細菌對O2的依賴程度十分的高，礦化過程也十分緩慢，這限制了其在水泥基材料中的應用。

圖4 依靠有機碳向無機碳轉(zhuǎn)化的好氧性非產(chǎn)脲酶菌的礦化機理

②依靠捕碳轉(zhuǎn)化碳酸的好氧性非產(chǎn)脲酶菌(碳酸酐酶菌)。這種細菌主要以捕捉的空氣中的CO2作為碳源，促使CO2與H2O在堿性條件下生成H2CO3[53,67-68]，H2CO3先后進行兩次電離，并在中途生成三種離子，分別為氫離子(H+)、HCO-3、CO2-3。圖5詳細解釋了碳酸酐酶菌的礦化機理，細菌產(chǎn)生的碳酸酐酶(carbonic anhydrase, CA)[69]將外界中的CO2快速溶解生成H2CO3，H2CO3被CA進一步催化成HCO-3和CO2-3，隨后CO2-3結(jié)合細胞表面的Ca2+生成沉淀(CaCO3)。研究表明,碳酸酐酶菌發(fā)生代謝反應可以生成大量的CaCO3[70]，同時具有很強的膠結(jié)作用[71],此種修復方式對于0.3 mm下的水泥基裂縫有著很好的修復效果，但是隨著開裂齡期的增加[54]或者當裂縫寬度靠近1 mm時[71-73]，修復效果開始大幅度降低。細菌的無機碳來源于空氣中的CO2并且需要O2的參與[74]，這對于深層次的裂縫并不適用，但是對于表面裂縫具有不錯的修復效果。雖然和前面所提到的兩種細菌相比，碳酸酐酶菌具有更好的環(huán)保性，但是適用性窄，并不適合用在混凝土的自修復領域。

圖5 碳酸酐酶菌的礦化機理

③厭氧性反硝化菌。無論是產(chǎn)脲酶菌或者是通過捕碳及轉(zhuǎn)化有機碳的非產(chǎn)脲酶菌都屬于喜氧菌體，對O2有很大的依賴性。然而混凝土構(gòu)件的工作區(qū)域不僅只在O2富饒的地區(qū)，同時也在貧氧的環(huán)境下工作，如深埋地下樁基礎等。針對此問題，利用厭氧類細菌(反硝化菌)的自修復混凝土被提出[56]，其主要的修復原理是通過添加外加劑，如甲酸鈉(NaHCOO)、硝酸鈉(NaNO3)、甲酸鈣(Ca(HCOO)2)等為反應提供必要的離子，以硝酸根離子(NO-3)作為電子受體而不是O2[57]，在有機物的微生物氧化過程中發(fā)生了生物NO-3的還原反應，減少了對O2的依賴，使其將有機碳源轉(zhuǎn)化為CO2-3。圖6詳細解釋了反硝化菌的礦化機理，整個反應過程主要分為五個階段，反應中的每個階段都有新物質(zhì)生成，從而作為下個階段的反應底物：第一階段，甲酸根離子(HCOO-)、NO-3、H+反應生成亞硝酸根離子(NO-2)、H2O、CO2；第二階段，HCOO-與NO-2、H+進行反應，生成一氧化氮(NO)和CO2；第三階段，NO結(jié)合HCOO-生成一氧化二氮(N2O)和CO2；第四階段，N2O繼續(xù)和HCOO-發(fā)生反應生成氮氣(N2)、CO2；第五階段，伴隨著前四個階段同時進行，前四個階段生成的CO2誘導Ca2+生成沉淀。Sonmez等[75]發(fā)現(xiàn)在不同鈣源(硝酸鈣、甲酸鈣)下會影響反硝化菌的礦化速率，且在低營養(yǎng)狀態(tài)下甚至可以實現(xiàn)增強碳酸鈣沉淀性能。與產(chǎn)脲酶菌相比，反硝化菌的還原機制更加穩(wěn)定，并且原料簡單，材料成本較低，適用于貧氧環(huán)境下的礦化修復。盡管反硝化菌完善了微生物自修復的礦化體系，但是碳酸鹽沉積的速率相對產(chǎn)脲酶菌較低[76]，對如何提高碳酸鹽沉積速率還有待進一步研究。

圖6 厭氧性反硝化菌的礦化機理

上述所提的四種單一菌種的修復機理是一元體系中的核心修復機制，因代謝機制單一，具有很大的受限性，如厭氧菌體若放在富氧環(huán)境下，內(nèi)部代謝途徑將受到阻礙，同樣的將喜氧菌體放在貧氧或者無氧環(huán)境下，內(nèi)部代謝途徑將會減緩甚至停止，如何解決此類問題，還有待進一步研究。

2.2 一元修復體系的修復效果

作為一種在產(chǎn)生裂縫之時可以達到自診斷、自修復的智能型水泥基材料[47,77]，選用一元修復體系的微生物自修復混凝土裂縫的修復效果、力學性能的恢復效果被廣大學者所認可[78-81]。

圖7展示了在選用產(chǎn)脲酶菌、非產(chǎn)脲酶菌下的自修復混凝土的裂縫修復效果。Ersan等[82]將反硝化菌負載在顆粒載體中發(fā)現(xiàn)，當裂縫產(chǎn)生28 d后可以將0.4 mm的裂縫修復95%，在0.01 MPa的水壓下，透水性降低80%。Wang等[31]將產(chǎn)脲酶菌(Bacillussphaericus)固載在微膠囊中發(fā)現(xiàn)，當裂縫產(chǎn)生后，1 mm的裂縫在21 d后就能完全修復。Vashisht等[50]以產(chǎn)脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)為礦化細菌制造水泥基構(gòu)件，在人工制造裂縫后養(yǎng)護28 d發(fā)現(xiàn)，構(gòu)件表面損傷不僅完全修復，抗壓強度也增加了34.6%，這表明產(chǎn)脲酶菌在混凝土中有巨大的應用潛力。Kanwal等[47]將產(chǎn)脲酶菌(Bacillussubtilis)固定在蔗渣中發(fā)現(xiàn)，0.5 mm的裂縫在修復28 d后修復率達到了100%，除此之外，抗折強度提高了6.5%，斷裂應變提高了58.11%。Fu等[83]研究了產(chǎn)脲酶菌(Sporosarcinapasteurii)在海水環(huán)境下的裂縫自愈合效果，盡管在海水中的修復效果不如淡水中的好，但是裂縫修復15 d后的修復率仍然高達80%，有效阻止了外界腐蝕離子的侵入。Pro?ek等[52]將非產(chǎn)脲酶菌(Bacilluspseudofirmus)使用聚乙烯醇包裹，摻入混凝土中發(fā)現(xiàn)在裂縫產(chǎn)生180 d后，不僅裂縫修復率達到了100%，抗彎強度修復率也達到了100%。Qian等[54]將碳酸酐霉菌(Bacillusmucilaginous)作為礦化細菌拌入混凝土中發(fā)現(xiàn)，0.5 mm的裂縫只需要10 d便可以完全修復，裂縫修復后的抗折強度相對于沒有摻入自修復劑的混凝土試件提高了110%。

圖7 選用一元修復體系的自修復混凝土的修復效果

盡管現(xiàn)在研究發(fā)現(xiàn)一元體系下的自修復效果很好[84-86]，但是外部環(huán)境復雜，實際混凝土構(gòu)件的工作環(huán)境(淤泥沼澤地區(qū)、水下、山體隧道等)富含多種不同的微生物群落，單一菌體能否在實際應用中發(fā)揮出很好的修復效果還有待考究。

2.3 多元修復體系的修復機理

與一元修復體系不同，多元修復體系更加貼近水泥基構(gòu)件的工作環(huán)境，這種修復體系具有至少兩種不同的代謝機制來誘導CaCO3生成(見表2)。

表2 多元修復體系下細菌的選擇

例如,將反硝化菌設定為微生物自修復體系的核心菌落，再加入一種可以將大分子碳源轉(zhuǎn)化為小分子碳源的細菌輔助核心細菌礦化，從而使各種微生物協(xié)同作用。圖8詳細解釋了這種體系的礦化機理，圖8(a)利用具有發(fā)酵功能的細菌(fermentative bacteria，F(xiàn)B)將大分子碳源(乳酸)轉(zhuǎn)換成小分子碳源(乙酸)，小分子碳源更容易被具有反硝化功能的微生物(denitrifying bacteria，DNB)代謝生成CO2，最終誘導CaCO3生成。通過更換不同的核心菌種來調(diào)節(jié)代謝機制，如圖8(b)所示，將厭氧性細菌更換成兼性厭氧菌落同樣可以達到礦化沉積的目的。這種體系不僅可以使各菌體之間分配更多的任務，在面對外部復雜環(huán)境時也具有更好的韌性。

圖8 厭氧性混菌和兼性厭氧混菌在礦化沉積中的相互作用

這種具有多種代謝途徑的體系并不局限于多種具有單一代謝途徑的菌體混合在一起構(gòu)成的多種體系，一種菌落也可能具有多種代謝途徑。Zhu等[88]發(fā)現(xiàn)了一種具有尿素水解和硝酸鹽還原兩種代謝途徑的細菌，Zhao等[89]將一種具有產(chǎn)脲酶的陽性真菌放入含有Ca2+和Sr2+的環(huán)境中，也發(fā)現(xiàn)內(nèi)部同樣有兩種具有方解石晶相的沉淀(CaCO3、SrCO3)生成。當然，想要構(gòu)成多種代謝途徑的微生物礦化體系，最簡單的方式便是將多種只具有單一礦化作用的微生物混合培養(yǎng)，張家廣等[87]在好氧、厭氧、兼性厭氧條件下分別富集馴化了具有礦化修復功能的混菌，搭建了多種代謝途徑，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，混凝土裂縫修復寬度更大，深度更深，并且具有更強的抗沖擊能力。不僅如此，與一元修復體系不同，多元修復體系下礦化產(chǎn)物在微觀物相方面具有多樣化，這也將各種物相下結(jié)晶體的優(yōu)點集中在了一起，完善了單一晶相的不足，并且微生物菌群的生產(chǎn)成本也降低了61%[43]。

綜上所述，假設了幾組多元修復體系下具有不同代謝功能的微生物的搭配，如表3所示。如在有氧環(huán)境下將幾種產(chǎn)脲酶菌(BacillusSubtilis,Sporosarcinapasteurii,Bacillussphaericus)和酵母菌進行搭配，這主要是因為酵母菌分泌物可以作為產(chǎn)脲酶菌的營養(yǎng)成分。研究[90]表明，在微生物自修復混凝土中添加酵母提取物可以更好地誘導礦化作用。若是以產(chǎn)脲酶菌為核心礦化菌體，酵母菌為輔助菌體，兩種菌體通過協(xié)同作用不僅可以共同應對外界的沖擊作用，而且可以解決酵母提取物因前期消耗而導致后期礦化時不足的問題。當然，目前有研究者已經(jīng)將某一種產(chǎn)脲酶菌(Bacilluspasteurii)和酵母菌搭配構(gòu)成了多元修復體系，為其他幾種產(chǎn)脲酶菌的搭配提供了理論和技術(shù)上的支持[41]。除此之外，酵母提取物也是其他非產(chǎn)脲酶菌的營養(yǎng)物質(zhì)，如科氏芽孢桿菌(Bacilluscohnii)[91]。和產(chǎn)脲酶菌類似，將科氏芽孢桿菌和酵母菌構(gòu)成多元修復體系成為了可能。不僅如此，厭氧環(huán)境下的微生物多元修復體系搭配也十分重要，如將可以轉(zhuǎn)換大分子碳源的微生物[92](Acetobacteriumpsammolithicum,Gemmobacter)和具有反硝化作用的微生物[87](Pseudomonasaeruginosa,Alishewanel，Azotobacter)相搭配,以前者作為輔助性細胞將大分子碳源(如乳酸)轉(zhuǎn)換為小分子碳源(如乙酸)，然后小分子碳源被作為核心的反硝化菌進一步分解為CO2，從而誘導CaCO3生成。同樣，也可以將不同種類的礦化菌進行搭配，構(gòu)成可以靈活更換應用環(huán)境的智能型水泥基構(gòu)件，如將好氧環(huán)境下的產(chǎn)脲酶菌(Lysinibacillussphaericus)和一種同時具有尿素水解功能和硝酸鹽還原功能[89]的細菌(Ralstoniaeutropha)相結(jié)合，構(gòu)造出一種可以使兩種修復體系在不同環(huán)境下切換的智能體系。這是因為Lysinibacillussphaericus需要O2參與代謝活動，在有氧環(huán)境下被激活后可以和Ralstoniaeutropha同時將尿素水解，誘導CaCO3生成，從而進行多元修復體系下的代謝活動；在無氧環(huán)境下Lysinibacillussphaericus不能發(fā)揮作用，僅有Ralstoniaeutropha進行硝酸還原反應，從而進行一元修復體系下的代謝活動。

表3 多元修復體系下細菌的選擇(假想)

然而，國內(nèi)外對多元修復體系的微生物礦化研究還十分缺乏，更多的理論性猜想還有待進一步探究和驗證。

2.4 多元修復體系的修復效果

相比一元修復體系，多元修復體系不僅具有抵抗更大外界沖擊和更加貼合實際環(huán)境的優(yōu)點，也有更好的修復效果。

圖9展示了在多元修復體系下的裂縫修復情況。Zhang等以科氏芽孢桿菌(Bacilluscohnii)為核心菌體，先是從活性污泥中提取出了可在缺氧條件下存活的混菌體(Mc-Ao)作為輔助菌[43]，又在有氧條件下提取了喜氧混菌體作為輔助菌體[87]，然后在缺氧和有氧環(huán)境下分別研究了混菌體裂縫的修復效果。研究發(fā)現(xiàn)，在裂縫經(jīng)自修復28 d后，兩種混合菌體的修復寬度最大都可以達到1.22 mm，這在一元修復體系中是難以實現(xiàn)的。同時，Zhang等[43]又在厭氧條件下測試了以另一種輔助菌體(Mc-Aa)構(gòu)成的多元修復體系，結(jié)果發(fā)現(xiàn)其修復寬度為0.79 mm的裂縫時修復率可以達到100%，隨后又進行了修復后透水性的測試，發(fā)現(xiàn)相對于一元修復體系，多元修復體系下的抗水滲透性能更強。魏冠奇[41]以巴氏芽孢桿菌(Bacilluspasteurii)為核心菌種，以釀酒酵母菌(Brewersyeast)為輔助菌種構(gòu)建了多元修復體系，并以一元修復體系作為對照，發(fā)現(xiàn)一元修復體系下的CaCO3沉積深度在約2.8 mm的范圍內(nèi)，當裂縫深度大于4 mm時不會產(chǎn)生十分明顯的沉積現(xiàn)象，而多元修復體系下在整個裂縫范圍內(nèi)均有明顯的沉積現(xiàn)象，這表明多元修復體系下修復裂縫的深度更大。

圖9 選用多元修復體系的自修復混凝土的修復效果

綜上所述，多元修復體系的優(yōu)點不僅僅表現(xiàn)在貼合實際環(huán)境這一個方面，其修復效果相對于一元修復體系也更加出色，具有更好的三維修復能力(平面修復-深度修復)。

3 修復效果的表征方式

無論是一元修復體系還是多元修復體系，修復效果才是評價一種修復方式好壞的硬性指標，甚至在某種程度上修復效果的好壞可以直接決定某種自修復方式是否可行。修復效果的評估不僅給研究者提供了參考，也協(xié)助加快了自修復的研究進程。選出更加合理以及適用的表征方式能夠?qū)Ρ瘸霾煌w系下的修復效果，對選出更實用的修復體系提供了支持。結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)目前對混凝土自修復效果的表征方式主要分為以下幾種：

(1)表面裂縫修復寬度。運用高清攝像儀檢測所修復裂縫的寬度，不僅能夠直觀地表征出此種途徑的修復效果，還能觀察出礦化進程[43,93-94]。

(2)超聲脈沖速度(ultrasonic pulse velocity, UPV)測量和四點彎曲試驗。幾十年來UPV檢測被認為是一種可靠的非破壞性技術(shù)(圖10)，UPV常被用來作為砂漿棱鏡損傷和愈合的指標，這種檢測方式主要是因為混凝土內(nèi)部構(gòu)造會影響超聲波的傳播，從而得出內(nèi)部信息如孔隙率、彈性模量、微裂紋的分布情況[95]。UPV測量在負重前、負重后、愈合后依次進行，研究垂直于加載方向和試樣裂紋平面的傳輸方向，用來評估損傷和愈合程度，之后再進行四點彎曲試驗以評測力學性能[96]，這樣能夠形象地表征出不同體系下的修復效果，然而UPV測量僅能表征出平面裂紋傳輸和修復情況，對于深度裂紋的動態(tài)變化無法表征，彌補這種不足的做法還有待進一步探究。

圖10 混凝土試件UPV測試[97]

(3)表面裂縫修復率。在微生物自修復混凝土的研究中，并不是所有的裂縫都會被完全修復，當面臨多個對照組中裂縫修復都不完全時，修復率能更容易、更直觀地表征出修復效果的好壞程度，普遍運用電子顯微鏡(如VP-SEM)來跟蹤記錄裂縫修復寬度的演變過程，使用圖像處理軟件確定裂紋面積，之后通過式(1)計算出準確的修復率變化情況。

(1)

式中：h為修復率；hi為初始裂紋面積；ht為t時刻裂紋面積。

(4)滲透率。裂縫的修復效果不僅可以直接通過超聲探測儀表征，還可以間接通過水的滲透率來表征，運用自行搭建的滲透裝置(見圖11)，通過式(2)計算出修復后水泥基構(gòu)件的滲透率。

圖11 滲透率測試裝置[43]

(2)

式中：k為滲透率，cm/s；la、wa分別為測試盤上下表面的平均長度、平均寬度，cm；to為1 500 mL水通過裂縫進入的測試時間，s。

(5)力學性能測試。在表征修復效果的好壞時，將修復后和裂縫產(chǎn)生前的水泥基構(gòu)件的力學性能作對比，是推算水泥基構(gòu)件修復前后力學性能恢復水平的重要指標，盡管當今一元修復體系下對修復后力學性能的測試很多，但是攝入力學性能恢復率(見式(3))概念的還很少，力學性能恢復率不僅能更加直觀地表征水泥基構(gòu)件修復后極限荷載的損失量，而且也是評價不同體系之間好壞的關鍵因素，可為以后混凝土自修復體系之間的選擇提供參考和建議。

(3)

式中：s為力學性能恢復率；Fi為初始極限抗壓強度；Ft為修復后極限抗壓強度。

這幾種表征方式不僅可以把裂縫修復效果的好壞直觀地展現(xiàn)在研究者的面前，而且對混凝土微生物礦化的后期研究也能給出數(shù)據(jù)上的參考和建議。然而，裂縫的延伸是三維立體的，裂縫深度的修復情況也是混凝土自修復領域的一個重要問題，對裂縫修復深度的表征方式還有待進一步研究。

4 結(jié)語與展望

微生物自修復是利用微生物的礦化產(chǎn)物去填補混凝土裂縫來達到修補裂縫的目的，被認為是延長混凝土服役年限最有益的方法。選用合適的礦化修復體系才能將微生物礦化效果最大化，從而保障微生物混凝土自修復機理的有效性。然而目前國內(nèi)外學者在選用礦化體系上，絕大多數(shù)采用一元修復體系，并且在培養(yǎng)菌株以及養(yǎng)護微生物水泥時都在利于單一菌種的適宜環(huán)境下進行，從而保證微生物有很好的礦化效果，但忽略了外部復雜的實際環(huán)境。不僅如此，在一元修復體系下，裂縫的修復工作大多從平面開展，難以達到裂縫三維修復的目的，可能導致礦化魯棒性降低。針對一元修復體系，多元修復體系不僅可以將體系內(nèi)多種代謝機制協(xié)調(diào)共同作用，還可以承擔更多任務且更加符合外部多菌共存的實際環(huán)境，從而保持微生物礦化的穩(wěn)定性。

綜上所述，多元修復體系更加滿足實際工作要求，更有利于將微生物混凝土應用到實際工程中。