微胶囊自修复剂的研究进展*

张胜莹，胡莹莹，顾玉龙

（滨州学院 化工与安全学院，山东 滨州 256600）

混凝土道面下陷主要是由道路基层混凝土开裂，即初期产生细微裂缝和后期由于环境以及人为因素不断扩大造成的。虽然传统的修复材料在粘合性能、力学性能和稳定性能方面发挥良好作用，但是只能针对已有的裂缝进行修复，没有动态捕捉修复的能力。传统修复材料的使用对象多为扩大一定规模的裂缝，面积较大，修复难度高，成本消耗高，并且过多使用化学灌浆法对周围生态也存在危害。而微胶囊自修复可以在裂缝形成初期自动捕捉和修复，不仅对后期成本进行了降低，而且也避免了道路的表面裂缝对道路使用带来的危险，且产物对周围环境的影响较小，具有极高的经济效益和环保作用。

1 混凝土道面下陷原因及微胶囊修复机理

1.1 混凝土的特性导致

混凝土具有抗压强度高、使用耐久性好、低成本易制作等特点，是世界范围内使用最广泛的一种建筑材料。但脆性也使混凝土易受裂缝的影响，导致强度降低。这种不稳定性使混凝土易受有害环境的影响，在表面或者内部形成细微裂缝，最终裂缝在外界因素作用下不断扩大，从而影响到道路的正常使用，甚至造成人员伤亡和财产损失。

1.2 微胶囊在混凝土中的修复机理和过程

在国内外研究中，微生物诱导碳酸钙沉淀可用于增强混凝土的耐久性。常见的微生物反应机理如表1（微生物自修复机理）所示。混凝土与微生物细菌充分融合，细菌存在于微小的孔隙中，早期缺少空气和水分，处于休眠状态，后期出现开裂，空气中的氧气和水与细菌接触，唤醒休眠细菌再次进行新陈代谢产生碳酸钙沉淀，从而修复裂缝。

2 微胶囊与砂浆性能间的影响

2.1 微胶囊活性验证

J.Y.Wang等［6］人的实验中通过细胞的存活率和尿素分解程度来评价细胞活性。脲酶活性被作为评价孢子活力的指标。培养基中的总氨氮量反映细胞存活率，证实了装载细菌孢子情况下分解尿素能力更高，同时孢子无法从胶囊中漏出，只由其产物进行分解。另外，陈业伟［7］在其综述中表示，巴氏芽孢杆菌等进行尿素分解的微生物，产生的氨气对环境存在影响，并认为在无脲酶作用下，其他微生物也可进行裂缝修复，当其进入砂浆时，若抢夺砂浆内的培养基，同样降低孢子的存活率和活性。

王利娜等［8］人使用巴氏芽孢八叠球菌在酵母提取物中进行培养，并分别改变培养环境中的单一变量（温度、pH）。结果表明，在30℃、pH为9时，细菌存活率高、活性高，适宜生存；温度小于40℃时对酶活性影响较小；温度超过42.5℃，pH高于11时，酶活性急剧下降。

于跃等［9］人的实验中使用巴氏芽孢杆菌进行三组实验，每组只单一改变pH、温度或尿素溶液浓度。结果表明，pH＝8.5时，溶液中脲酶活性最高；温度范围内，脲酶活性先上升后下降，在温度为30℃范围时，脲酶活性最高；脲酶活性随尿素浓度上升而上升，浓度超过1.6 mol／mL时，上升速度趋于平缓。

2.2 微胶囊对砂浆性能的影响

针对微胶囊对砂浆性能影响，若砂浆内微生物分配不均，修复无法从混凝土各深度反应，则不能保证修复后裂缝的稳定性。另外，微胶囊对水泥水化、水泥凝结时间和浆体强度等基本性能具有很大影响。

高明亮［10］使用酚醛-环氧树脂微胶囊和膨胀珍珠岩吸附科氏芽孢杆菌进行研究，分析混凝土抗压能力和矿化活性等基本力学性能，结果表示，珍珠岩表面形成保护层，降低了高吸水造成的细胞死亡。另外，研究证实微胶囊短期内增加裂缝的基体强度，加强孔结构，一定程度上避免了二次开裂和修复效果欠佳的问题，提高了修复后的稳定性。

Jing Wu等［11］人针对高吸水性树脂预吸水的水在释水后存在较大体积变化这一问题，提出使用环氧树脂为芯，海藻酸钙水凝胶为囊壳制备微胶囊，后测定水泥砂浆水化热量和相对湿度等。证实该微胶囊在缓解水泥水化、提高早期缩减效果和降低砂浆内孔隙等方面优于高吸水性树脂，对砂浆的抗压强度的影响降低，提高了混凝土的各项力学性能。

罗勉［12］在其研究中利用芽孢杆菌的生活周期，制备休眠芽孢，研究微生物自修复剂RB、JB和NB对砂浆的凝结时间、砂浆强度等性能进行研究验证，掺量为1%到3%的RB和NB、掺量为1%到2%的JB凝结时间可达标准；同时，RB影响水泥砂浆早期强度，但后期抗压强度将有所上升；JB、NB对早期强度有影响，后期强度高于对照组，随掺量增加到一定浓度后抑制强度增强。

3 微胶囊固载方式及固载材料

砂浆内的温度、pH和营养条件等因素均对微生物产生影响，常通过固载方式提高微生物修复效率。常见的固载方式为：包埋法、吸附法、自身固定化法和交联法。包埋法是微胶囊的一种主要形式。膨胀黏土颗粒、膨胀珍珠岩、微胶囊等为常见的固载材料。微胶囊固载，在高湿度的环境下胶囊外部具有高弹性，低湿度环境下为脆性，加入环氧树脂和聚氨酯等物质可更好保证存活和修复［13］。

韩磊等［14］人在实验中囊壁使用吸水性树脂，对环氧树脂等修复剂进行包裹，研究两种相对湿度（40%、70%）条件、无风条件、微胶囊吸水预处理对砂浆抗裂性的影响。结果表明，微胶囊的释水行为影响砂浆早期开裂，证明了吸水性胶囊对于干燥或水分蒸发较快的环境，可解决砂浆早期抗裂能力不足的问题，微胶囊预吸水和低含芯材量能促进抗裂性。

Li Xiuhao等［15］人在实验中对海底混凝土裂缝进行修复试验，采用原位聚合法、聚合脲醛／环氧树脂微胶囊，结果表明，随着微胶囊浓度上升，自愈合能力先上升后下降，最高浓度为1%。虽然微胶囊对水泥裂缝有修复能力，但修复后的各项力学性能均有所下降。

Ren Jun等［16］人在研究中表示，微胶囊囊壳在通常情况下具有脆性，搅拌过程中容易破碎，在砂浆水化放热的基础上，制备了一系列的温度自适应微胶囊。验证表明，这类温度自适应性胶囊在较高温度的搅拌下，破损率下降75%，回收率上升5%，为微胶囊修复提供新思路。

4 裂缝愈合评估及应用评价

4.1 裂缝愈合评估

微生物胶囊在混凝土裂缝中，所受的影响因素较多，在实际的裂缝修复之前还应当对水泥砂浆所受微生物胶囊用量、龄期和养护温度的影响进行测试。

Guohao Fang等［17］人发现，裂缝在第28 d后的愈合速度下降，且微胶囊修复能力从混凝土表面到深层逐渐降低，推断是由于内部结构接触的空气中的氧气和水分含量的减少。在其实验中使用的是一种A基微胶囊，对裂缝修复有可行性，但更适用于水下条件，对大气条件的适应能力低。

钱春香［18］使用耐碱型微生物固碳菌与水泥砂浆混合，通过SEM、EDS和XCT等方法对水泥基的力学性能、修复效果和微观孔结构等进行分析与测定，得出：微生物砂浆中含量较高的CSH凝胶促进水泥基力学性能，修复面积扩大，两周后的修复率近似高达100%，生成的填充物为稳定的层状方解石和文石结构。

李宗源［19］使用巴氏芽孢八叠球菌，通过测定球菌活性、矿化程度、环境因素得出，细菌修复裂缝温度不超过40℃，pH值在6～9范围内等适宜条件下修复效果好。结果显示，在0.01～0.7 mm的裂缝修复中，除0.7 mm的试件外，其他试件降低幅度都在92%以上，验证了低浓度菌液生成的碳酸钙沉淀无法完全修复过宽的裂缝。在高浓度菌液表面覆膜试验中，碳化深度和氯离子扩散系数较基准混凝土都有所下降，抗氯离子的入侵能力提高。

另外，部分学者研究结果如表2所示。

表2 修复效果评估

4.2 微胶囊自愈合混凝土裂缝的应用评价

修复混凝土裂缝，可有效解决由裂缝问题而导致的部分结构坍塌的问题，提高结构的稳定性、安全性和耐久性。表面处理法、灌浆法、填充法和结构补强法等［24］较为常见。耿飞的研究总结中将混凝土道面修复的材料根据化学原理分为三类，分别为：无机、有机，以及无机有机复合。三种类别的修复材料性能各不相同。根据混凝土道面裂缝深度，裂缝修复有表面修复和深入裂缝修复两种技术［25］。但传统工艺部分修复过程中产生的产物影响环境，破坏生态稳定，还需要大量劳动力，成本高，无法自发捕捉修复。水泥基材料的被动修复和混凝土的智能自修复是混凝土微生物矿化研究的两个主要层面［26］。微生物修复技术绿色环保，自动捕捉裂缝无需人工干扰等优点被广泛使用。

罗顺等［27］学者在实验中研究了影响微生物砂浆强度的重要因素，为后期学者制备高强度的微生物砂浆提供了实验参考。钱春香等［28］学者早期通过微生物诱导矿化技术，分析得出自动修复和被动修复的优缺点及解决方案，并结合实际给出研究方向。王海良等［29］人针对当前研究表示，目前微胶囊自修复仍面临一些问题，如研究时长过短（观察裂缝修复时间多为28天），对长期（几年以上）修复效果研究的实验少，研究环境单一，无外力荷载，多为适宜的室内环境。而在恶劣环境（潮湿、干旱、盐碱等）和不同外力荷载作用下的研究较少，裂缝深度修复差，营养条件苛刻，对细胞存活率和活性存在影响，需尽快解决。

5 结语

微生物修复效果呈现先上升后下降的趋势，学者应当尝试提高微胶囊对周围环境的适应能力，降低营养物质、温度、pH对微生物活性带来的影响，以此拓宽微生物修复最大极限的范围，提高微生物的高适应能力，增加实际环境下的修复研究。本文通过了解混凝土的结构特点以及混凝土道面修复的机理，分别从修复材料的性能研究、裂缝修复后密封性能评估和应用评价三个主要方面进行了阐述。虽然微生物自修复技术研究暂处于初期阶段，但国内外的学者已加大研究，以保证微生物的高存活率以及强烈的碳酸钙沉淀反应能够更快更高效率的修复裂缝，提高微胶囊修复可行性，降低后期成本和危险系数，保证生命财产安全。