細菌混凝土(自愈合混凝土)

    細菌混凝土或稱自愈合混凝土是指在混凝土硬化后，借助細菌反應作用來修補結構中出現(xiàn)的裂縫。各種的細菌、作用機理及制備的細菌混凝土均有過相關研究，如今，這項應用技術已經(jīng)把建筑標準提高到一個新的高度。

    為了獲得更好、更穩(wěn)定和更經(jīng)濟的混凝土建筑，人們應用了不同的規(guī)程、方法和材料；但由于人為失誤、錯誤的操作和欠熟練的工人，一棟建筑很難維持到它的設計壽命。施工后會出現(xiàn)風化、裂縫、漏水、彎曲等問題。為了克服這類問題，在施工前后就需要進行一些補救措施。

    01 建筑常見開裂問題的原因

    建筑常見的開裂問題原因有很多，一般歸為以下：

    1、在不同溫度條件下混凝土結構的收縮；

    2、結構沉降；

    3、載荷過重；

    4、混凝土表面失水導致的收縮；

    5、混凝土澆筑時振搗不充分；

    6、混凝土成型時覆蓋不當；

    7、為了混凝土施工便利的高水膠比；

    8、鋼筋的腐蝕；

    9、多種速凝和早強劑的添加導致收縮性能增加；

    對于建筑裂縫這一常見問題，在裂縫發(fā)生前后有許多補救措施。其中一種就是細菌混凝土或自愈合混凝土。混凝土硬化后，能通過細菌反應使裂縫自我愈合或自我填補裂縫的過程被稱為自愈合混凝土。可以觀察到，混凝土結構中寬度為0.05-0.1mm的小裂縫，在反復的干濕循環(huán)中完全被填充滿。

    02 細菌混凝土(自愈合混凝土)

    這種自我愈合的機理是，水顆粒從0.05-0.1mm寬的類似毛細血管的裂縫中滲透，這些水顆粒使未反應或部分反應的水泥發(fā)生水化，水泥膨脹，進而填滿裂縫。但當裂縫大過以上寬度時，就需要別的修復措施。目前正在研究和開發(fā)的一種可行的技術，是基于在混凝土中礦物產生的細菌。裂縫自愈合時起作用的是酸性細菌。這些細菌可以在休眠細胞中，和在干燥條件下存活200多年；它們在裂縫愈合過程中起到催化的作用。

    混凝土中使用的各種細菌

    用于自愈合混凝土中的不同細菌種類：

    ★巴氏芽孢桿菌(Bacillus pasteurizing)

    ★球形芽孢桿菌(Bacillus sphaericus)

    ★大腸桿菌(Escherichia coli)

    ★枯草芽孢桿菌(Bacillus subtilis)

    ★科氏芽孢桿菌(Bacillus cohnii)

    ★班氏芽孢桿菌(Bacillus balodurans)

    ★嗜堿芽孢桿菌(Bacillus pseudofirmus)

    自愈合混凝土組成

    愈合混凝土是由未發(fā)生反應的石灰石和鈣基營養(yǎng)素在細菌的幫助下，通過生物反應來修復建筑物上出現(xiàn)的裂縫。一種特殊的芽孢桿菌和鈣基營養(yǎng)素（乳酸鈣）共同起作用，當制備混凝土時，將它們加入到已拌好的濕混凝土中；這種細菌的休眠期可達約200年。當混凝土出現(xiàn)裂縫時，水就會從裂縫中滲入；這時細菌的孢子發(fā)芽，開始吞噬乳酸鈣，消耗氧氣，可溶的乳酸鈣轉化成了不溶的石灰石，不溶的石灰石開始變硬，從而自動填充裂紋，無需任何外力。這個過程的另一個好處是，當細菌消耗氧氣將鈣轉化為石灰石時，它有效防止了因裂紋而造成的鋼筋腐蝕，提高了鋼筋混凝土結構的耐久性。

自愈合后的混凝土裂縫

    03 細菌混凝土的制備

    兩種制備方法：

    1、直接使用法；

    2、封裝法用于輕質混凝土；

    采用直接使用法時，細菌孢子和乳酸鈣被直接加進拌合好的混凝土中。這種方法細菌和乳酸鈣不會改變混凝土的一般性能。當結構明顯產生裂縫時，細菌暴露出來，水與這種細菌接觸時，它們開始生長，吞噬乳酸鈣，并產生石灰石，從而封住裂縫。封裝法時，細菌及其吞噬的乳酸鈣被放到經(jīng)處理的粘土顆粒內部，用來制備混凝土；混凝土中的粘土顆粒添加比例大約為6%；當用細菌混凝土制成的結構出現(xiàn)裂縫時，粘土顆粒隨即破碎，細菌生長，吞噬乳酸鈣，產生石灰石，石灰石變硬，從而封住裂縫。寬度約0.5mm的小裂縫可以采用細菌混凝土處理。在這兩種方法中，封裝方法更為常用，盡管它比直接應用成本更高。

封裝法用于輕質混凝土

    自愈合混凝土的化學過程

    當水與混凝土中未水化的鈣接觸時，細菌就會起到催化劑的作用，促使產生氫氧化鈣；氫氧化鈣與大氣中的二氧化碳發(fā)生反應，形成石灰石和水；多余的水分子又使反應繼續(xù)進行。石灰石硬化后就封住了混凝土中的裂縫。

    自愈合混凝土的化學過程

    04 標準試驗

    對普通混凝土和自愈合混凝土進行標準試驗。

    混凝土試塊7天和28天的抗壓和抗折強度試驗數(shù)據(jù)如下：

    細菌混凝土7天、28天彎曲強度試驗結果

    混凝土力學性能測試系統(tǒng)

    結果表明：細菌混凝土的抗壓強度和抗彎強度均優(yōu)于普通混凝土。

    混凝土、水泥及鋼筋測試的全面解決方案，滿足幾乎所有實驗室的需求。

    05 細菌混凝土的優(yōu)缺點

    優(yōu)點：

    1、無需任何外部輔助下自我修復裂紋；

    2、抗壓強度和抗彎強度比普通混凝土顯著提高；

    3、凍融損害減緩；

    4、混凝土滲透性降低；

    5、由于裂紋的形成，降低鋼筋腐蝕性，增強鋼筋混凝土耐久性；

    6、芽孢細菌對人無傷害，可大量應用；

    缺點：

    1、成本比常規(guī)混凝土翻倍；

    2、細菌在某些氣候和介質環(huán)境下生長不佳；

    3、含有自愈合物質的粘土介質，在混凝土中體積占比近20%。可能成為混凝土剪切帶或斷層帶；

    4、這里的細菌混合混凝土設計沒有任何IS規(guī)范或其他規(guī)范；

    5、碳酸鈣的形成相關研究成本極高；

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