生物混凝土材料在建筑设计中的应用

2023-12-28许杰王璇

建筑与装饰 2023年22期

许杰王璇

常州大学/美术与设计学院江苏常州 213000

引言

混凝土作为当今建筑最普遍使用的材料，无论多么细心地养护，最终都会产生裂缝，使建筑物存在安全隐患。普通人受伤，伤口需要很久才能愈合。那么，混凝土是否能和身体构造一样，实现自动修复的能力呢？来自荷兰代尔夫特理工大学的微生物学家找到了新世界：自愈的“生物混凝土”，一种细菌可以产生石灰石细并实现裂缝的自我愈合修复[1]。

1 传统的裂缝修复方式

1.1 表面封闭法

该方法主要应用于长度小于0.2mm的裂纹。其方法是通过使用修补料，如混凝土填充物、环氧胶水泥等涂刷于裂纹表层，从而改善了裂纹的防水特性，并延缓了裂缝开裂。

1.2 压力灌浆技术

它通过输液泵把环氧树脂、混凝土等物质灌入裂纹内，提高裂纹的完整性，适合于长度超过0.3mm的裂纹。

1.3 填堵法

此法首先把裂隙挖成沟槽，然后向沟中填入混凝土、沥青等修补材料，以取得修补效果。此方法适合于长度超过0.5mm的裂纹。

2 生物混凝土材料修复方式

2.1 生物混凝土材料概念

早在1836年，一位法国科学家偶然发现了混凝土具有自动愈合的能力，之后他便展开了系统研究，最终未取得太大的研究成果。2012年10月，荷兰德尔塔理工大学混凝土专家埃里克施兰根提出了一个“愈合混凝土”问题，将芽孢杆菌孢子添加到混凝土中。

生物混凝土，也称为自愈混凝土，是一种能够通过可微生物产生的石灰石，达到自我修复效果的试验混凝土。它包含的细菌具有产生石灰石的能力，开始产生碳酸钙。这种新型的钢筋材料综合应用方法可以有效节约原材料使用成本，并且大大提高钢筋混凝土的连续性和使用寿命。

2.1.1 生物混凝土的原理。科学家们利用了微生物的新陈代谢，通过化学反应，可以产生修复混凝土裂缝的碳酸钙填补裂缝。这种自修复的天然生物材料其实是一种含有大量乳酸钙酶的微胶囊，把细菌包裹在塑料外壳中，并混合在混凝土中。当混凝土表面出现裂缝的时候，水和空气就会慢慢进入这些混凝土里面。同时，水开始分解包裹着这些乳酸钙和其他细菌的可溶性固体塑料壳，并且把先前已经埋藏的这些乳酸钙细菌暴露出来。

乳酸钙和新鲜空气的结合，成功把微生物唤醒。这些微生物在食进了乳酸钙的同时，吐出了大量碳酸钙晶体，从而生成石灰石。石灰石成为目前常用的建材，能够和水泥很好地结合。

伴随着这种微生物不断的生长、代谢和增殖，源源不断地产生碳酸钙固体来填补裂缝，在防止裂缝进一步加大的同时，也阻隔了空气和水分。当这些裂缝被大量填充和进行修复后，不具备微生物所需的生存环境条件时，微生物便停止了生长繁殖，死亡或一部分重新进入了休眠模式[2]。

微生物可以固定砂石，不是由于它自身的黏性，而且借助了一种材料——碳酸钙。方解石、霰石结晶和球霰石是指碳酸钙的三个同质异构体，用这三个结晶作为介质，可以把建筑裂缝之间牢固的连接起来。碳酸钙的产生过程，被称为微生物矿化，指细菌通过形成的颗粒使其周围的基质硬化的阶段。在其中微生物诱导了碳酸钙的沉淀（MICP）是最有研究进展的一种微生物矿化的途径。一般地，诱导过程分为三步进行：

（1）带负电的细胞壁结构集中溶液中的游离钙离子；

（2）部分游离的碳酸根离子与钙离子结合形成碳酸钙沉淀，进而依附在细胞的表面；

（3）随着体内碳酸钙胶体沉淀的不断分化累积，逐渐将体内微生物完全分解包裹，营养物质将被阻断运输进入微生物细胞内，从而导致微生物死亡。

同时，乳酸钙也有一定的吸水性效果，这也使得细菌的生存受到了制约，降低了细菌存活率。因此，科学家们已经开始努力寻找各种各样可以被广泛用作土壤保护剂的涂层、可降解剂的塑料、陶瓷甚至是用硅胶制作缓冲溶液的化学物质，以最大限度地帮助提高土壤微生物群的存活率和降低石灰石降解沉积物的效率。

3 建筑设计中生物混凝土应用的优劣势

3.1 生物混凝土的优势

3.1.1 环境保护。生物混凝土在生产使用过程中直接产生的温室污染源和其他温室污染气体也将大大减少。生物混凝土能很好地适应环境，也不会破坏整个自然修复混凝土结构，并能应对地震、风暴、爆炸等。

3.1.2 灵活性。微生物能够更好地了解材料的内部细节，更好地解决腐蚀和磨损等问题。

3.1.3 紧密性。对比于传统化学方式获得的碳酸钙晶体，采用由细菌直接诱导成形的碳酸钙，其方解石结晶结构更为紧密稳固。

3.1.4 延长使用寿命。利用生物修复的特性，生物混凝土修复显著降低了混凝土裂缝进一步扩展的可能性，相较于普通混凝土有更好的修复能力，相对延长建筑的使用寿命。

3.1.5 耐火性。生物混凝土的塑性优于普通混凝土。而且耐火性能十分出众，在发生火灾的时候，良好的耐火性，能够提供更多的逃生时间。

3.1.6 减少维修成本。据不完全信息统计，欧盟修建桥梁和高速隧道每年将至少耗资60亿欧元。目前用于欧盟桥梁、隧道和高速道路基础建设的各种生物混凝土每年至少可以节省数十亿美元的建筑维护管理成本[3]。

3.2 生物混凝土的劣势

3.2.1 生物混凝土的弊端。水泥基材料与微生物有交互作用关系；混凝土的高碱性环境、水泥水化过程中微生物的存活空间不断减少等因素对微生物的生存和矿化修复是严峻的考验。通过采用多孔材料载体和微胶囊包覆能够一定程度上提高细菌在混凝土内部的存活率。目前研究中，微生物自修补技术可修补混凝土，裂缝的最大长度通常不大于1cm，但如果缝隙过大，则单纯微生物修补的效果将无法令人满意。

3.2.2 生物混凝土弊端的改善。伍斯特理工学院的科研人员找到了一种解决办法，即混凝土在1d内自动修复。红细胞内有一种蛋白酶，这个蛋白酶在24h内含有CO2反应和碳酸钙晶体，用于修复混凝土。试验证明，这种酶在水泥粉搅拌和浇注之前加入水泥粉中，作为催化剂，使大气中的CO2形成碳酸钙结晶。经过一段时间以后，3mm的缝隙和1.5mm的裂纹又复原如初。另外，通过显微镜所观测到的晶体结构也很稳定，几乎完全一致。此外，防水性能高于预期，雨水不会渗透。

4 生物混凝土在建筑设计中的应用

将这项技术产品化，衍生出三种产品：自愈原剂、修补砂浆和液态修复系统。自愈原剂，是新拌混凝土使用的，可以使新建筑物拥有自愈能力。修补砂浆，是在建筑物出现裂缝或损坏时，用来增添自愈能力。

4.1 自愈原剂

第一种是自愈原剂。在制作组件的拌合料中加入自愈原剂，制作完成后运到工地，然后组装成废水处理槽。目前已经在使用中。这是和荷兰的水利局合作的。因为目前一半预算都都用在维修上。

另一个是大的储水槽，工法是场铸混凝土。有水泥搅拌车和结构用的模板，它们将自愈原剂加入混合。将模板固定好后，将混凝土浇筑进去，就构成了储水槽。

4.2 修复砂浆

第二种就是自我修复砂浆，可以修复既有建筑物上较大的损坏。这种砂浆不仅强度高，还能承受一定的弯曲变形，有良好的延展性。一般砂浆形成的混凝土无法弯曲，超过负荷就会脆裂成两半。此砂浆形成的混凝土，在弯折的过程中只产生细微裂缝。这种混凝土拥有特殊的优势，那是因为除了自愈原剂，还加入了大量的聚乙烯醇纤维。当弯曲变形，原本应该出现一个大裂缝，现在则变成数百个细小裂缝。这种修复砂浆有伸展性，能弯曲，可使裂缝快速修复完成，并在混凝土表面会形成很好的保护层。例如来自地震或混凝土内部的龟裂，表面的防护层随着被拉扯，只会产生很细微的裂缝，利用修复砂浆修复，并能很好地保护底下的混凝土层。还有一些结构修复的施工，如柱子损坏时，出现剥落和侵蚀的情形，可以将表层混凝土去除，检视并清洁钢筋，若损坏严重，则可能需要更换，然后以修补砂浆填补[4]。

荷兰阿佩尔多恩的赫特卢宫，曾是荷兰皇家所在地，后来变成了国家博物馆。为了最大限度地保留其原貌，建筑的修缮工作至关重要。二人曾在翻修时使用自愈混凝土，依靠活细菌来修复裂缝。地下室漏水墙面的修补，首先将裂缝敲开，让砂浆有足够的施工面积，然后修补和收尾。这样就能解决漏水问题。砂浆可以用来填缝，保证受损的混凝土，也可以采用喷浆施工处理漏水的墙面，方便又快捷。

4.3 液态修复系统

第三种我们称之为液态修复系统ER7，采用喷洒的方式施行。适用于受损情形较轻的混凝土建筑物表面。此情形可以使用这种粉末状的产品，只要加水溶解，就可以喷洒在受损的表层。这个产品有两种成分——A剂和B剂，依序喷洒这两种配方后，会产生一种胶质物，胶质物会在几天或几周内转化成石灰石。这项产品的优势是施工区域很快就能开放使用。例如地下室的墙面或停车场，所需的施工时间很短。例如一个建筑案例，此建筑选用薄壳的混凝土，只有6cm厚，在建造过程中就裂得很严重，并且轻微漏水。对于此建筑的修复，采用液体修复系统的方式，以人工方式施作，简单快捷，表面的裂缝最后都封闭了。

另一个案例是6000m2的停车场区域，大约4h完成施工。施工后会增加混凝土的密度，并降低腐蚀性化学物质的入侵。使用这项产品喷一次，能修复0.2mm以内的裂缝，如果裂缝较大，则需要施工二至三次。因其施工面积很大，以人工施工会很费时。所以最后采用地板清洁机的施工方式，它通常能装1000kg水，只需要把水换成A剂和B剂。第一台将溶剂刷入裂缝中，第二台喷洒后将液体转化为胶状物质，最后只要等清洁完，停车场就可以开放使用。冻融实验可以用来检测混凝土构筑物寿命，实验采样于停车场内未施工以及施工后的区域，分别提取数个主体样本，进行冻融测试。施工一次，脱落就减少了一半，因此大幅增加了耐用度。