微生物活性功能材料的制備及其在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用與機(jī)理探究一、引言1.1研究背景與意義在建筑領(lǐng)域，砂漿作為一種重要的建筑材料，廣泛應(yīng)用于墻體砌筑、地面找平、防水處理等多個方面。然而，由于受到外界環(huán)境因素（如溫度變化、濕度波動、機(jī)械荷載等）以及自身內(nèi)部因素（如水泥水化、干縮等）的影響，砂漿在使用過程中極易出現(xiàn)裂縫等損傷，這不僅會降低建筑結(jié)構(gòu)的美觀性，還會嚴(yán)重影響其耐久性和安全性。隨著時間的推移，裂縫會逐漸擴(kuò)大，使得外界的水分、氧氣、有害化學(xué)物質(zhì)等更容易侵入建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部，從而加速鋼筋的銹蝕、混凝土的碳化以及其他材料的劣化，最終導(dǎo)致建筑結(jié)構(gòu)的承載能力下降，縮短建筑物的使用壽命。據(jù)相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全球每年因建筑結(jié)構(gòu)損壞而需要進(jìn)行維修和加固的費(fèi)用高達(dá)數(shù)百億美元，其中很大一部分原因是由于砂漿裂縫等問題引起的。為了解決砂漿裂縫問題，傳統(tǒng)的方法主要包括表面修補(bǔ)、灌漿處理等。然而，這些方法往往存在一定的局限性。表面修補(bǔ)只是對裂縫表面進(jìn)行簡單的處理，無法從根本上解決裂縫內(nèi)部的問題，容易導(dǎo)致裂縫再次出現(xiàn)；灌漿處理雖然能夠填充裂縫，但需要專業(yè)的設(shè)備和技術(shù)，施工過程較為復(fù)雜，成本也較高，而且對于一些微小裂縫，灌漿效果并不理想。近年來，隨著材料科學(xué)和生物技術(shù)的不斷發(fā)展，微生物活性功能材料逐漸成為研究的熱點。微生物活性功能材料是一種新型的智能材料，它利用微生物的生命活動來實現(xiàn)材料的自修復(fù)功能。將微生物活性功能材料應(yīng)用于砂漿自修復(fù)領(lǐng)域，具有諸多顯著的優(yōu)勢。首先，微生物活性功能材料能夠?qū)崿F(xiàn)自動修復(fù)，當(dāng)砂漿出現(xiàn)裂縫時，微生物會在裂縫處迅速生長繁殖，并產(chǎn)生碳酸鈣等礦物質(zhì)，這些礦物質(zhì)能夠填充裂縫，從而實現(xiàn)砂漿的自修復(fù)，無需人工干預(yù)，大大提高了修復(fù)的及時性和有效性；其次，微生物活性功能材料具有良好的耐久性和穩(wěn)定性，能夠在長期的使用過程中保持自修復(fù)性能，有效延長砂漿的使用壽命；此外，微生物活性功能材料的制備過程相對簡單，成本較低，且對環(huán)境友好，符合可持續(xù)發(fā)展的要求。因此，開展微生物活性功能材料制備及其在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用研究具有重要的現(xiàn)實意義。一方面，通過研究微生物活性功能材料的制備方法和作用機(jī)制，可以為砂漿自修復(fù)提供新的技術(shù)手段和理論支持，提高砂漿的性能和耐久性，從而保障建筑結(jié)構(gòu)的安全和穩(wěn)定；另一方面，該研究成果的推廣應(yīng)用可以有效降低建筑維護(hù)成本，減少資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，促進(jìn)建筑行業(yè)的可持續(xù)發(fā)展，具有顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1微生物活性功能材料制備研究現(xiàn)狀國外對于微生物活性功能材料制備的研究起步較早，在基礎(chǔ)理論和應(yīng)用技術(shù)方面都取得了一系列重要成果。Jonkers等在2007年率先提出基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)的微生物自修復(fù)混凝土設(shè)計理念，開啟了微生物在建筑材料自修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的新篇章。此后，眾多學(xué)者圍繞微生物的種類篩選、培養(yǎng)條件優(yōu)化以及與載體材料的結(jié)合方式等方面展開深入研究。例如，有研究通過對不同微生物的代謝特性進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)巴氏芽孢桿菌（兼性厭氧型）在以尿素和鈣源溶液為底物時，能夠高效分解尿素產(chǎn)生碳酸鈣晶體，其體內(nèi)的脲酶將尿素分解為NH3和CO2，NH3溶于水生成OH-促進(jìn)CO2向CO32-轉(zhuǎn)化，細(xì)菌表面負(fù)電荷與Ca2+結(jié)合，以自身為成核位點生成碳酸鈣，該過程沉淀量大、速率高，但產(chǎn)生的NH3會對環(huán)境造成一定影響。在微生物載體材料方面，國外也進(jìn)行了廣泛探索。采用多孔陶瓷、硅藻土等多孔材料作為微生物載體，利用其豐富的孔隙結(jié)構(gòu)為微生物提供良好的生存空間和保護(hù)屏障，有效提高微生物在水泥基材料高堿性環(huán)境中的存活率和活性。同時，一些研究還嘗試將微生物與高分子材料相結(jié)合，制備具有特殊性能的復(fù)合材料，如將微生物固定在水凝膠中，使其具備良好的柔韌性和生物相容性，能夠更好地適應(yīng)復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境。國內(nèi)在微生物活性功能材料制備研究方面也取得了顯著進(jìn)展。錢春香課題組提出一種自養(yǎng)型MICP途徑，篩選出含有碳酸酐酶的細(xì)菌，該細(xì)菌能夠大幅提高CO2的水解速率，在堿性環(huán)境下促進(jìn)CO32-的生成，進(jìn)而與周圍游離的Ca2+反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，有效解決了傳統(tǒng)異養(yǎng)型途徑中需要額外添加碳源或鈣源，導(dǎo)致混凝土成本增加和性能受影響的問題。此外，國內(nèi)學(xué)者還對微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物的礦物特性進(jìn)行了深入研究，探究Mg2+等因素對礦化產(chǎn)物的影響機(jī)制。研究發(fā)現(xiàn)不同Mg2+濃度均能提高細(xì)菌礦化效率，當(dāng)Ca/Mg摩爾比為3時礦化效率最高；Mg2+的摻入會造成方解石晶體晶格畸變，引起XRD衍射峰向高角度偏移，且微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)物形態(tài)豐富多樣，受細(xì)菌代謝、Mg2+、化學(xué)環(huán)境等因素協(xié)同作用，礦物中球狀和不規(guī)則多面體占主導(dǎo)地位，還有少量其他形態(tài)結(jié)構(gòu)。1.2.2微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)中應(yīng)用研究現(xiàn)狀在國外，微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用研究不斷深入。一些研究通過在砂漿中添加微生物自修復(fù)劑，對不同寬度和深度的裂縫進(jìn)行修復(fù)實驗，并利用掃描電子顯微鏡（SEM）、壓汞儀（MIP）等微觀測試手段對修復(fù)后的砂漿微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，觀察碳酸鈣晶體在裂縫中的填充情況以及對砂漿孔隙結(jié)構(gòu)的改善作用，結(jié)果表明微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣能夠有效填充裂縫，提高砂漿的密實度和強(qiáng)度。此外，還有研究將微生物自修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于實際工程案例，如橋梁、道路等基礎(chǔ)設(shè)施的維護(hù)中，通過長期監(jiān)測評估微生物自修復(fù)砂漿的實際修復(fù)效果和耐久性，驗證了該技術(shù)在實際工程中的可行性和有效性。國內(nèi)在微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)應(yīng)用方面也開展了大量研究工作。采用再生混凝土細(xì)骨料（RCA）和再生黏土磚細(xì)骨料（RBA）作為載體材料負(fù)載微生物修復(fù)劑，研究負(fù)載載體對水泥基材料基本性能的影響以及對砂漿裂縫的修復(fù)效果。結(jié)果表明，負(fù)載載體改善了水泥基材料的工作性能，但會小幅度降低試件的抗壓強(qiáng)度；在裂縫修復(fù)方面，微生物修復(fù)劑能夠在適宜條件下通過礦化作用產(chǎn)生碳酸鈣填充修補(bǔ)裂縫，提高砂漿的耐久性。同時，國內(nèi)學(xué)者還對修復(fù)養(yǎng)護(hù)條件、裂縫開裂時間等因素對裂縫修復(fù)效果的影響進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)養(yǎng)護(hù)方式和裂縫開裂時間會顯著影響微生物的生長和礦化過程，從而影響裂縫修復(fù)效果。1.2.3研究不足與發(fā)展趨勢盡管國內(nèi)外在微生物活性功能材料制備及其在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用研究取得了一定成果，但仍存在一些不足之處。目前對微生物在復(fù)雜環(huán)境下的長期穩(wěn)定性和活性維持機(jī)制研究還不夠深入，在實際工程應(yīng)用中，微生物可能會受到溫度、濕度、酸堿度以及其他化學(xué)物質(zhì)等多種因素的影響，導(dǎo)致其活性降低甚至失活，從而影響自修復(fù)效果。不同類型微生物與載體材料的適配性研究還不夠系統(tǒng)全面，載體材料的選擇和設(shè)計往往缺乏科學(xué)依據(jù)，難以充分發(fā)揮微生物的自修復(fù)潛力。微生物自修復(fù)技術(shù)在實際工程應(yīng)用中的成本效益分析和施工工藝規(guī)范還不完善，限制了該技術(shù)的大規(guī)模推廣應(yīng)用。未來的發(fā)展趨勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面。一是深入開展微生物在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性研究，通過基因工程、代謝工程等手段對微生物進(jìn)行改造，提高其抗逆性和穩(wěn)定性，確保在各種實際工程環(huán)境中都能保持良好的活性和自修復(fù)能力；二是加強(qiáng)微生物與載體材料的協(xié)同設(shè)計研究，開發(fā)新型高效的載體材料，優(yōu)化載體與微生物的結(jié)合方式，提高微生物的負(fù)載量和活性，進(jìn)一步提升自修復(fù)效果；三是完善微生物自修復(fù)技術(shù)在實際工程應(yīng)用中的成本效益評估體系和施工工藝標(biāo)準(zhǔn)，降低應(yīng)用成本，規(guī)范施工流程，促進(jìn)該技術(shù)的廣泛應(yīng)用；四是探索微生物自修復(fù)技術(shù)與其他先進(jìn)技術(shù)（如智能監(jiān)測技術(shù)、納米技術(shù)等）的融合創(chuàng)新，實現(xiàn)對砂漿裂縫的實時監(jiān)測和智能修復(fù)，推動建筑材料自修復(fù)技術(shù)向智能化、高效化方向發(fā)展。二、微生物活性功能材料的制備2.1制備原理微生物活性功能材料的制備原理基于微生物獨(dú)特的代謝活動，通過巧妙利用微生物在特定環(huán)境下的生命過程，促使其生成具有特定功能的物質(zhì)，從而實現(xiàn)材料性能的優(yōu)化與創(chuàng)新。在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)中，以巴氏芽孢桿菌為典型代表，該菌能夠產(chǎn)生脲酶，當(dāng)處于含有尿素和鈣源的環(huán)境時，脲酶發(fā)揮關(guān)鍵作用，將尿素分解為氨（NH_3）和二氧化碳（CO_2）。這一分解過程可表示為化學(xué)反應(yīng)式：CO(NH_2)_2+H_2O\stackrel{脲酶}{\longrightarrow}2NH_3+CO_2。生成的氨在水溶液中迅速溶解并發(fā)生電離，NH_3+H_2O\rightleftharpoonsNH_4^++OH^-，使得體系的pH值升高，呈堿性。而二氧化碳在堿性環(huán)境下，會進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為碳酸根離子（CO_3^{2-}），即CO_2+2OH^-\rightleftharpoonsCO_3^{2-}+H_2O。此時，周圍環(huán)境中的鈣離子（Ca^{2+}）會與碳酸根離子結(jié)合，Ca^{2+}+CO_3^{2-}\longrightarrowCaCO_3\downarrow，最終形成碳酸鈣沉淀。由于細(xì)菌表面通常帶有負(fù)電荷，與帶正電荷的鈣離子之間存在靜電吸引作用，這使得細(xì)菌自身成為碳酸鈣晶體理想的成核位點，極大地促進(jìn)了碳酸鈣的沉淀過程。整個過程中，微生物的代謝活動驅(qū)動了化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，從尿素和鈣源逐步轉(zhuǎn)化為碳酸鈣沉淀，這一過程不僅體現(xiàn)了微生物在物質(zhì)轉(zhuǎn)化中的獨(dú)特作用，還為材料的自修復(fù)等功能提供了關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)。微生物的代謝活動受到多種因素的精確調(diào)控。環(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)種類和濃度是影響微生物代謝的重要因素之一。以自養(yǎng)型微生物為例，錢春香課題組篩選出的含有碳酸酐酶的細(xì)菌，這類細(xì)菌能夠利用環(huán)境中的無機(jī)碳源，在碳酸酐酶的作用下，大幅提高二氧化碳的水解速率，CO_2+H_2O\stackrel{碳酸酐酶}{\rightleftharpoons}H_2CO_3，從而在堿性環(huán)境下促進(jìn)碳酸根離子的生成，進(jìn)而與周圍游離的鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀。在這個過程中，充足的二氧化碳和鈣離子供應(yīng)是保證碳酸鈣沉淀順利進(jìn)行的關(guān)鍵營養(yǎng)條件。若環(huán)境中營養(yǎng)物質(zhì)匱乏或比例失調(diào)，微生物的代謝活動將受到抑制，無法有效地產(chǎn)生具有特定功能的物質(zhì)。溫度對微生物代謝活動的影響也十分顯著。不同種類的微生物具有各自適宜的生長溫度范圍，超出這個范圍，微生物體內(nèi)的酶活性會受到影響，從而阻礙代謝反應(yīng)的正常進(jìn)行。例如，嗜溫菌在低溫環(huán)境下，酶的活性降低，代謝速率減慢，可能無法及時產(chǎn)生足夠的功能性物質(zhì)；而在高溫環(huán)境下，酶可能會變性失活，導(dǎo)致微生物代謝紊亂甚至死亡。pH值同樣對微生物代謝起著關(guān)鍵作用，大多數(shù)微生物適宜在中性至微堿性的環(huán)境中生長，當(dāng)環(huán)境pH值偏離適宜范圍時，微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能會受到破壞，影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸和酶的活性，進(jìn)而影響微生物的代謝和產(chǎn)物生成。在微生物活性功能材料制備過程中，必須充分考慮并精確調(diào)控這些因素，為微生物提供適宜的生存和代謝環(huán)境，以確保其能夠穩(wěn)定、高效地生成具有特定功能的物質(zhì)，滿足材料性能的要求。二、微生物活性功能材料的制備2.2制備方法2.2.1微生物的篩選與培養(yǎng)在砂漿自修復(fù)領(lǐng)域，篩選合適的微生物種類至關(guān)重要。巴氏芽孢桿菌憑借其獨(dú)特的代謝特性，成為研究和應(yīng)用最為廣泛的微生物之一。它能夠產(chǎn)生脲酶，在含有尿素和鈣源的環(huán)境中，將尿素分解為氨和二氧化碳，進(jìn)而促使碳酸鈣沉淀的生成，這一過程為砂漿裂縫的自修復(fù)提供了關(guān)鍵的物質(zhì)基礎(chǔ)。錢春香課題組篩選出的含有碳酸酐酶的細(xì)菌，這類自養(yǎng)型細(xì)菌能夠利用環(huán)境中的無機(jī)碳源，在碳酸酐酶的作用下，高效促進(jìn)二氧化碳的水解，為碳酸鈣沉淀創(chuàng)造有利條件，解決了傳統(tǒng)異養(yǎng)型微生物需要額外添加碳源或鈣源的問題，降低了成本并減少對砂漿性能的影響。微生物的篩選需要遵循嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。具有高效的碳酸鈣沉淀能力是首要條件，這直接關(guān)系到砂漿裂縫的修復(fù)效果。微生物的生長速度和繁殖能力也不容忽視，較快的生長和繁殖速度能夠保證在裂縫出現(xiàn)時，微生物能夠迅速大量繁殖，及時產(chǎn)生足夠的碳酸鈣來填充裂縫。微生物還需具備良好的環(huán)境適應(yīng)性，能夠在砂漿所處的復(fù)雜環(huán)境中生存和代謝，包括耐受高堿性、適應(yīng)不同的溫度和濕度條件等。在實際應(yīng)用中，研究發(fā)現(xiàn)一些微生物在高堿性的砂漿環(huán)境中，其活性會受到抑制，甚至無法存活，因此篩選出能夠適應(yīng)這種惡劣環(huán)境的微生物是實現(xiàn)自修復(fù)的關(guān)鍵。培養(yǎng)條件的優(yōu)化對于微生物的生長和活性發(fā)揮起著決定性作用。營養(yǎng)物質(zhì)的組成和比例是關(guān)鍵因素之一。對于以巴氏芽孢桿菌為代表的微生物，尿素和鈣源是其代謝過程中不可或缺的營養(yǎng)物質(zhì)。在培養(yǎng)過程中，需要精確控制尿素和鈣源的濃度，以滿足微生物的生長需求。研究表明，當(dāng)尿素濃度在0.6-1mol/L，鈣離子濃度為1-1.5mol/L時，巴氏芽孢桿菌的生長和礦化效果較為理想。氮源、磷源等其他營養(yǎng)物質(zhì)的合理搭配也至關(guān)重要，它們共同為微生物的生長和代謝提供必要的物質(zhì)基礎(chǔ)。溫度和pH值對微生物的生長和代謝影響顯著。不同種類的微生物具有各自適宜的生長溫度范圍和pH值范圍。巴氏芽孢桿菌適宜在中溫環(huán)境下生長，其最適生長溫度一般在30-37℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，微生物體內(nèi)的酶活性較高，代謝反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，從而促進(jìn)微生物的生長和繁殖。若溫度過高或過低，都會對微生物的生長產(chǎn)生不利影響，甚至導(dǎo)致微生物死亡。pH值方面，大多數(shù)適用于砂漿自修復(fù)的微生物適宜在中性至微堿性的環(huán)境中生長，一般pH值在7-9之間較為合適。當(dāng)環(huán)境pH值偏離這個范圍時，微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能會受到破壞，影響物質(zhì)的跨膜運(yùn)輸和酶的活性，進(jìn)而抑制微生物的生長和代謝。在微生物培養(yǎng)過程中，必須嚴(yán)格控制溫度和pH值，為微生物提供適宜的生長環(huán)境。2.2.2載體材料的選擇與制備載體材料在微生物活性功能材料中扮演著至關(guān)重要的角色，它不僅為微生物提供了生存和繁殖的場所，還對微生物的活性和穩(wěn)定性起著保護(hù)和促進(jìn)作用。常用的載體材料包括多孔陶粒、沸石、硅藻土等，它們各自具有獨(dú)特的特性，在微生物固定化和砂漿自修復(fù)過程中發(fā)揮著不同的作用。多孔陶粒具有豐富的孔隙結(jié)構(gòu)，這些孔隙大小不一，分布均勻，為微生物提供了充足的附著位點和生存空間。其較高的比表面積能夠增加微生物與載體之間的接觸面積，有利于微生物的固定化，使得微生物能夠牢固地附著在載體表面和孔隙內(nèi)部。多孔陶粒還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械強(qiáng)度，在砂漿的制備和使用過程中，能夠抵抗各種物理和化學(xué)作用，保護(hù)微生物免受外界環(huán)境的影響，確保微生物在載體上能夠穩(wěn)定地生長和代謝。有研究通過在多孔陶粒表面負(fù)載微生物，然后將其應(yīng)用于砂漿中，發(fā)現(xiàn)微生物在陶粒的保護(hù)下，能夠在砂漿的高堿性環(huán)境中存活并保持較高的活性，有效地促進(jìn)了砂漿裂縫的自修復(fù)。沸石是一種具有特殊晶體結(jié)構(gòu)的硅鋁酸鹽礦物，其內(nèi)部存在大量的微孔和通道，這些微觀結(jié)構(gòu)賦予了沸石良好的離子交換性能和吸附性能。在微生物固定化方面，沸石能夠通過離子交換和吸附作用，將微生物牢固地固定在其表面和孔隙內(nèi)，為微生物提供穩(wěn)定的生存環(huán)境。沸石還能夠?qū)χ車h(huán)境中的營養(yǎng)物質(zhì)和有害物質(zhì)進(jìn)行吸附和交換，調(diào)節(jié)微生物所處的微環(huán)境，促進(jìn)微生物的生長和代謝。例如，沸石可以吸附砂漿中的鈣離子等營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物提供充足的養(yǎng)分，同時吸附一些對微生物生長有害的物質(zhì)，降低其對微生物的毒性，從而提高微生物的活性和穩(wěn)定性。硅藻土是一種由硅藻的細(xì)胞壁遺骸沉積而成的生物硅質(zhì)材料，其具有納米級的孔隙結(jié)構(gòu)和巨大的比表面積。這些特性使得硅藻土能夠高效地吸附微生物，并且能夠為微生物提供良好的保護(hù)，使其免受外界環(huán)境的干擾。硅藻土還具有良好的生物相容性，不會對微生物的生長和代謝產(chǎn)生負(fù)面影響。在實際應(yīng)用中，硅藻土常被用作微生物的載體材料，與微生物結(jié)合后應(yīng)用于砂漿自修復(fù)領(lǐng)域。研究表明，硅藻土負(fù)載微生物后，能夠在砂漿中均勻分散，微生物在硅藻土的保護(hù)下，能夠快速響應(yīng)砂漿裂縫的出現(xiàn)，及時產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，實現(xiàn)對裂縫的有效修復(fù)。載體材料的制備工藝對其性能和微生物的固定效果有著重要影響。以多孔陶粒的制備為例，通常采用燒結(jié)法或免燒工藝。燒結(jié)法是將原料經(jīng)過混合、造粒后，在高溫下進(jìn)行燒結(jié)，使其形成具有一定強(qiáng)度和孔隙結(jié)構(gòu)的陶粒。在燒結(jié)過程中，溫度、時間等工藝參數(shù)的控制至關(guān)重要。如果燒結(jié)溫度過高或時間過長，陶粒的孔隙結(jié)構(gòu)可能會被破壞，導(dǎo)致比表面積減小，不利于微生物的附著；而燒結(jié)溫度過低或時間過短，陶粒的強(qiáng)度可能不足，在使用過程中容易破碎。免燒工藝則是通過添加粘結(jié)劑等添加劑，將原料混合后成型，經(jīng)過養(yǎng)護(hù)等處理得到多孔陶粒。這種工藝相對簡單，成本較低，但需要選擇合適的粘結(jié)劑和添加劑，以確保陶粒的性能和微生物的固定效果。在制備過程中，還可以通過添加造孔劑等方式來調(diào)節(jié)陶粒的孔隙結(jié)構(gòu)，使其更適合微生物的生長和附著。載體材料對微生物的保護(hù)和活性發(fā)揮具有多方面的作用。載體材料的孔隙結(jié)構(gòu)能夠為微生物提供物理保護(hù)，防止微生物受到外界機(jī)械力的損傷。載體材料還能夠隔離微生物與外界環(huán)境中的有害物質(zhì)，減少其對微生物的毒害作用。載體材料與微生物之間的相互作用能夠促進(jìn)微生物的代謝活動。載體表面的化學(xué)成分和微觀結(jié)構(gòu)可以與微生物表面的分子發(fā)生相互作用，影響微生物的細(xì)胞膜通透性和酶活性，從而調(diào)節(jié)微生物的代謝速率和產(chǎn)物生成。一些載體材料能夠吸附和儲存營養(yǎng)物質(zhì)，為微生物的生長和代謝提供持續(xù)的養(yǎng)分供應(yīng)，進(jìn)一步提高微生物的活性和穩(wěn)定性。2.2.3微生物與載體的結(jié)合方式微生物與載體的結(jié)合方式直接影響著微生物在載體上的負(fù)載量、活性以及在砂漿自修復(fù)過程中的作用效果。目前，常見的結(jié)合方式主要包括物理吸附、化學(xué)固定等，每種方式都具有其獨(dú)特的優(yōu)缺點，在實際應(yīng)用中需要根據(jù)具體情況進(jìn)行選擇和優(yōu)化。物理吸附是一種較為簡單且常用的結(jié)合方式，它主要基于微生物細(xì)胞與載體表面之間的靜電相互作用、范德華力以及氫鍵等物理作用力。在物理吸附過程中，微生物細(xì)胞通過這些物理力附著在載體表面或孔隙內(nèi)。這種結(jié)合方式的優(yōu)點在于操作簡便，對微生物的活性影響較小，因為它不涉及復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，不會對微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)和生理功能造成破壞。物理吸附過程相對快速，能夠在較短的時間內(nèi)實現(xiàn)微生物在載體上的初步固定。在使用多孔陶粒作為載體時，微生物可以迅速吸附在陶粒的表面和孔隙中，形成初步的固定化體系。物理吸附也存在明顯的局限性，微生物與載體之間的結(jié)合力相對較弱，在受到外界環(huán)境因素（如水流沖刷、機(jī)械振動等）的影響時，微生物容易從載體上脫落，導(dǎo)致負(fù)載量下降，進(jìn)而影響自修復(fù)效果。在實際的砂漿應(yīng)用環(huán)境中，由于砂漿在攪拌、運(yùn)輸和施工過程中會受到各種機(jī)械力的作用，物理吸附固定的微生物可能會部分脫落，降低了微生物在砂漿中的有效濃度，影響裂縫的修復(fù)效率?；瘜W(xué)固定是通過化學(xué)反應(yīng)使微生物與載體之間形成化學(xué)鍵，從而實現(xiàn)微生物的固定化。這種結(jié)合方式可以采用共價結(jié)合、交聯(lián)等方法。共價結(jié)合是利用微生物細(xì)胞表面的功能基團(tuán)（如氨基、羧基、巰基等）與載體表面的活性基團(tuán)之間發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成穩(wěn)定的共價鍵。交聯(lián)法則是使用雙功能或多功能試劑，如戊二醛等，與微生物細(xì)胞表面的反應(yīng)基團(tuán)進(jìn)行交聯(lián)反應(yīng)，將微生物固定在載體上?；瘜W(xué)固定的優(yōu)點在于微生物與載體之間的結(jié)合力強(qiáng)，微生物能夠牢固地固定在載體上，不易脫落，在長期的使用過程中能夠保持較高的負(fù)載量和穩(wěn)定性，從而保證自修復(fù)效果的持久性。在一些對自修復(fù)效果要求較高的工程應(yīng)用中，化學(xué)固定的微生物能夠在較長時間內(nèi)持續(xù)發(fā)揮作用，對砂漿裂縫進(jìn)行有效修復(fù)?；瘜W(xué)固定也存在一些缺點，化學(xué)反應(yīng)過程可能較為復(fù)雜，需要嚴(yán)格控制反應(yīng)條件（如溫度、pH值、反應(yīng)時間等），否則可能會影響結(jié)合效果和微生物的活性?；瘜W(xué)試劑的使用可能會對微生物產(chǎn)生一定的毒性，導(dǎo)致微生物的活性降低甚至死亡，在選擇化學(xué)固定方法和試劑時，需要充分考慮其對微生物的影響。為了實現(xiàn)微生物在載體上的高效負(fù)載，需要對結(jié)合工藝進(jìn)行精確控制。在物理吸附過程中，可以通過調(diào)整載體的表面性質(zhì)和微生物的濃度來優(yōu)化吸附效果。對載體進(jìn)行表面改性，增加其表面的電荷密度或親水性，能夠提高微生物與載體之間的靜電相互作用和親和力，從而增強(qiáng)吸附效果。合理控制微生物的濃度，避免過高或過低的濃度對吸附效果產(chǎn)生不利影響。在化學(xué)固定過程中，選擇合適的化學(xué)反應(yīng)條件和試劑至關(guān)重要。需要根據(jù)微生物和載體的特性，選擇合適的反應(yīng)溫度、pH值和反應(yīng)時間，以確?；瘜W(xué)反應(yīng)能夠順利進(jìn)行，同時最大限度地減少對微生物活性的影響。在選擇交聯(lián)劑時，要考慮其交聯(lián)效率、對微生物的毒性以及成本等因素，綜合評估后選擇最適合的交聯(lián)劑和交聯(lián)方法。還可以通過優(yōu)化載體的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，增加微生物與載體的接觸面積，進(jìn)一步提高微生物的負(fù)載量和結(jié)合穩(wěn)定性。2.3制備過程中的關(guān)鍵因素及控制在微生物活性功能材料的制備過程中，底物濃度、溫度、pH值等因素對微生物的生長以及材料性能有著至關(guān)重要的影響，精準(zhǔn)調(diào)控這些因素是確保材料具備良好自修復(fù)性能的關(guān)鍵。底物濃度對微生物的生長和代謝活動有著顯著影響。以尿素和鈣源作為微生物代謝的主要底物，它們的濃度變化會直接改變微生物的生長速率和碳酸鈣沉淀的生成量。當(dāng)尿素濃度過低時，微生物可利用的氮源不足，會導(dǎo)致其生長緩慢，脲酶的產(chǎn)生量也相應(yīng)減少，進(jìn)而影響尿素的分解和碳酸鈣沉淀的形成。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著尿素濃度的增加，微生物的生長速率和碳酸鈣沉淀量會逐漸提高。當(dāng)尿素濃度超過一定閾值后，過高的濃度可能會對微生物產(chǎn)生毒性，抑制其生長和代謝，導(dǎo)致碳酸鈣沉淀量不再增加甚至下降。鈣源濃度同樣對微生物的礦化過程起著關(guān)鍵作用。若鈣源濃度過低，碳酸鈣沉淀反應(yīng)的原料不足，無法形成足夠的碳酸鈣來填充砂漿裂縫；而鈣源濃度過高，可能會影響體系的離子平衡，對微生物的生存環(huán)境造成不利影響。在實際制備過程中，需要通過大量實驗來確定尿素和鈣源的最佳濃度范圍，一般來說，尿素濃度在0.6-1mol/L，鈣離子濃度為1-1.5mol/L時，微生物的生長和礦化效果較為理想，但具體數(shù)值還需根據(jù)微生物種類、載體材料等因素進(jìn)行調(diào)整。溫度是影響微生物生長和代謝的關(guān)鍵因素之一。不同種類的微生物具有各自適宜的生長溫度范圍，超出這個范圍，微生物的生理活動將受到嚴(yán)重影響。以適用于砂漿自修復(fù)的微生物為例，巴氏芽孢桿菌適宜在中溫環(huán)境下生長，其最適生長溫度一般在30-37℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，微生物體內(nèi)的酶活性較高，能夠高效催化代謝反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)微生物的生長和繁殖，從而有利于碳酸鈣沉淀的產(chǎn)生。當(dāng)溫度低于最適生長溫度時，微生物的酶活性降低，代謝速率減慢，微生物的生長受到抑制，碳酸鈣沉淀的生成量也會減少；當(dāng)溫度過高時，酶的結(jié)構(gòu)可能會被破壞，導(dǎo)致酶失活，微生物的代謝活動無法正常進(jìn)行，甚至?xí)?dǎo)致微生物死亡，嚴(yán)重影響材料的自修復(fù)性能。在制備過程中，必須嚴(yán)格控制溫度，可采用恒溫培養(yǎng)箱、水浴鍋等設(shè)備來維持穩(wěn)定的溫度環(huán)境，確保微生物能夠在適宜的溫度下生長和代謝。pH值對微生物的生長和代謝也有著重要影響。大多數(shù)適用于砂漿自修復(fù)的微生物適宜在中性至微堿性的環(huán)境中生長，一般pH值在7-9之間較為合適。這是因為微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和功能對pH值較為敏感，適宜的pH值能夠維持細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，保證物質(zhì)的正?？缒み\(yùn)輸，同時也有利于酶的活性發(fā)揮。當(dāng)環(huán)境pH值偏離適宜范圍時，微生物的細(xì)胞膜可能會受到損傷，導(dǎo)致物質(zhì)運(yùn)輸受阻，酶活性降低，從而抑制微生物的生長和代謝。在堿性環(huán)境中，pH值過高可能會使微生物細(xì)胞內(nèi)的蛋白質(zhì)和核酸等生物大分子發(fā)生變性，影響其正常生理功能；而在酸性環(huán)境中，pH值過低可能會破壞微生物細(xì)胞膜的完整性，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)物質(zhì)泄漏。在制備微生物活性功能材料時，需要對體系的pH值進(jìn)行精確調(diào)控?？梢酝ㄟ^添加緩沖劑（如磷酸鹽緩沖液等）來維持pH值的穩(wěn)定，也可以根據(jù)微生物的生長情況，適時調(diào)整培養(yǎng)基的pH值，為微生物提供適宜的生長環(huán)境。為了有效控制這些關(guān)鍵因素，需要采取一系列具體措施。在底物濃度控制方面，要精確配制培養(yǎng)基，使用高精度的稱量儀器和容量儀器，確保底物濃度的準(zhǔn)確性。定期檢測培養(yǎng)基中的底物濃度，根據(jù)檢測結(jié)果及時補(bǔ)充或調(diào)整底物的添加量，以維持底物濃度在適宜范圍內(nèi)。在溫度控制方面，選擇性能穩(wěn)定、控溫精度高的培養(yǎng)設(shè)備，如恒溫培養(yǎng)箱、搖床等，并定期對設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)和維護(hù)，確保溫度控制的準(zhǔn)確性。可以采用溫度傳感器實時監(jiān)測培養(yǎng)環(huán)境的溫度，一旦溫度出現(xiàn)異常波動，及時采取措施進(jìn)行調(diào)整。在pH值控制方面，選用合適的緩沖劑，并根據(jù)微生物的生長特性和培養(yǎng)基的成分，合理確定緩沖劑的種類和用量。定期使用pH計檢測培養(yǎng)基的pH值，當(dāng)pH值偏離適宜范圍時，通過添加酸或堿溶液來進(jìn)行調(diào)節(jié)。還可以通過優(yōu)化載體材料的性能，如選擇具有一定緩沖能力的載體材料，來減少環(huán)境因素對微生物生長的影響，進(jìn)一步提高材料性能的穩(wěn)定性。2.4制備難點及解決方案在微生物活性功能材料的制備過程中，面臨著諸多難點，這些難點嚴(yán)重影響著材料的性能和應(yīng)用效果，需要針對性地提出解決方案，以推動該領(lǐng)域的發(fā)展。微生物在高堿性的砂漿環(huán)境中保持活性是一大關(guān)鍵難點。砂漿體系的pH值通常在12-13左右，這種強(qiáng)堿性環(huán)境對大多數(shù)微生物來說是極具挑戰(zhàn)性的。高堿性條件會對微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)造成破壞，使細(xì)胞膜的通透性發(fā)生改變，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)的物質(zhì)泄漏，影響微生物的正常生理功能。堿性環(huán)境還會影響微生物體內(nèi)酶的活性，酶的活性中心結(jié)構(gòu)可能會被破壞，從而使酶失活，阻礙微生物的代謝活動。在這種高堿性環(huán)境下，微生物的生長和繁殖受到極大抑制，甚至?xí)?dǎo)致微生物死亡，使得微生物難以在砂漿中發(fā)揮其應(yīng)有的自修復(fù)作用。為解決這一問題，可從微生物篩選和基因工程改造兩方面入手。在微生物篩選過程中，加大篩選范圍，從各種極端環(huán)境中分離和篩選具有高耐堿性的微生物菌株。從堿性湖泊、堿性土壤等環(huán)境中尋找能夠適應(yīng)高堿性條件的微生物，這些微生物在長期的進(jìn)化過程中，已經(jīng)形成了適應(yīng)高堿性環(huán)境的生理機(jī)制，如具有特殊的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和代謝途徑，能夠在高堿性環(huán)境中生存和代謝。通過基因工程技術(shù)對現(xiàn)有微生物進(jìn)行改造，增強(qiáng)其耐堿性?？梢酝ㄟ^導(dǎo)入耐堿性相關(guān)基因，改變微生物的細(xì)胞膜結(jié)構(gòu)和組成，提高細(xì)胞膜的穩(wěn)定性，使其能夠抵抗高堿性環(huán)境的侵蝕；也可以對微生物體內(nèi)的酶基因進(jìn)行修飾，增強(qiáng)酶在高堿性條件下的活性和穩(wěn)定性，從而保證微生物在高堿性的砂漿環(huán)境中能夠正常生長和發(fā)揮作用。微生物與載體的兼容性也是制備過程中的一個重要難點。不同的載體材料具有不同的物理和化學(xué)性質(zhì)，這些性質(zhì)可能會對微生物的生長和活性產(chǎn)生影響。一些載體材料的表面電荷、孔隙結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等可能與微生物不匹配，導(dǎo)致微生物難以附著在載體上，或者即使附著后也無法正常生長和代謝。載體材料的某些成分可能會對微生物產(chǎn)生毒性，抑制微生物的生長和繁殖。在使用某些化學(xué)合成的載體材料時，其殘留的化學(xué)物質(zhì)可能會對微生物的生存環(huán)境造成污染，影響微生物的活性。針對這一難點，需要對載體材料進(jìn)行優(yōu)化和表面改性。在載體材料的選擇上，深入研究不同載體材料的特性，根據(jù)微生物的特點選擇與之兼容性較好的載體。對于表面電荷與微生物不匹配的載體，可以通過表面修飾的方法，改變載體表面的電荷性質(zhì)，使其與微生物表面電荷相互吸引，增強(qiáng)微生物與載體之間的結(jié)合力。采用化學(xué)接枝、物理吸附等方法，在載體表面引入與微生物表面電荷相反的基團(tuán)，促進(jìn)微生物在載體上的附著。對于可能對微生物產(chǎn)生毒性的載體材料，可以通過預(yù)處理的方式去除其中的有害物質(zhì)，或者對載體進(jìn)行改性，降低其毒性。對于含有殘留化學(xué)物質(zhì)的載體，可以通過多次清洗、熱處理等方法去除有害物質(zhì)；對于載體的化學(xué)成分可能對微生物產(chǎn)生不良影響的情況，可以通過在載體表面包覆一層生物相容性好的材料，如聚合物薄膜等，隔離載體與微生物，減少載體對微生物的負(fù)面影響。還可以通過共混等方法，將不同特性的載體材料復(fù)合在一起，制備出具有綜合性能優(yōu)勢且與微生物兼容性良好的復(fù)合載體材料。三、微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用原理3.1微生物誘導(dǎo)礦化沉淀結(jié)晶機(jī)理3.1.1脲酶作用下尿素分解在微生物誘導(dǎo)礦化沉淀結(jié)晶的眾多機(jī)理中，脲酶作用下尿素分解是一種研究較為深入且應(yīng)用廣泛的機(jī)制，其中巴氏芽孢桿菌在這一過程中扮演著關(guān)鍵角色。巴氏芽孢桿菌是一種兼性厭氧型細(xì)菌，其細(xì)胞內(nèi)含有脲酶，這是整個反應(yīng)過程的核心催化劑。當(dāng)巴氏芽孢桿菌處于含有尿素和鈣源的環(huán)境中時，脲酶迅速發(fā)揮作用，催化尿素的分解反應(yīng)。尿素（CO(NH_2)_2）在脲酶的作用下，與水分子發(fā)生反應(yīng)，分解為氨（NH_3）和二氧化碳（CO_2），其化學(xué)反應(yīng)方程式為：CO(NH_2)_2+H_2O\stackrel{脲酶}{\longrightarrow}2NH_3+CO_2。氨具有極易溶于水的特性，溶解后會發(fā)生電離反應(yīng)，NH_3+H_2O\rightleftharpoonsNH_4^++OH^-，這使得反應(yīng)體系的pH值顯著升高，呈現(xiàn)出堿性環(huán)境。在堿性條件下，二氧化碳的化學(xué)性質(zhì)發(fā)生改變，它會與氫氧根離子發(fā)生反應(yīng)，CO_2+2OH^-\rightleftharpoonsCO_3^{2-}+H_2O，從而轉(zhuǎn)化為碳酸根離子（CO_3^{2-}）。此時，周圍環(huán)境中的鈣離子（Ca^{2+}）會與碳酸根離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，Ca^{2+}+CO_3^{2-}\longrightarrowCaCO_3\downarrow，生成碳酸鈣沉淀。值得注意的是，巴氏芽孢桿菌的細(xì)胞表面通常帶有負(fù)電荷，這種電荷特性使其能夠與帶正電荷的鈣離子之間產(chǎn)生靜電吸引作用。這種靜電作用使得細(xì)菌自身成為碳酸鈣晶體理想的成核位點，極大地促進(jìn)了碳酸鈣的沉淀過程。在這個過程中，大量的碳酸鈣晶體在細(xì)菌周圍不斷形成并逐漸聚集長大，最終形成足夠數(shù)量的碳酸鈣沉淀，這些沉淀能夠有效地填充砂漿中的裂縫，從而實現(xiàn)砂漿的自修復(fù)功能。該過程具有沉淀生成量大、速率高的顯著優(yōu)點，能夠在較短的時間內(nèi)生成大量的碳酸鈣沉淀，快速對砂漿裂縫進(jìn)行修復(fù)，提高修復(fù)效率。此過程也存在一定的不足之處，反應(yīng)過程中產(chǎn)生的氨會對環(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)。氨是一種具有刺激性氣味的氣體，過量的氨排放到環(huán)境中可能會對空氣質(zhì)量產(chǎn)生影響，還可能導(dǎo)致水體富營養(yǎng)化等環(huán)境問題。在實際應(yīng)用中，需要充分考慮這一因素，采取相應(yīng)的措施來減少氨的排放，或者對排放的氨進(jìn)行有效的處理，以降低其對環(huán)境的負(fù)面影響。3.1.2細(xì)菌有氧呼吸分解有機(jī)酸鈣細(xì)菌有氧呼吸分解有機(jī)酸鈣是微生物誘導(dǎo)礦化沉淀結(jié)晶的另一種重要機(jī)理，嗜堿性芽孢桿菌在這一過程中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。嗜堿性芽孢桿菌是一種好氧菌，其作用機(jī)制與砂漿裂縫的修復(fù)過程密切相關(guān)。當(dāng)砂漿出現(xiàn)裂縫后，外界的水和氧氣能夠通過裂縫進(jìn)入砂漿內(nèi)部。此時，處于休眠狀態(tài)的嗜堿性芽孢桿菌開始蘇醒并活躍起來，利用自身的呼吸作用對有機(jī)酸鈣進(jìn)行分解。以乳酸鈣為底物為例，嗜堿性芽孢桿菌通過有氧呼吸將乳酸鈣分解為碳酸鈣（CaCO_3）和二氧化碳（CO_2），化學(xué)反應(yīng)式為：Ca(C_3H_5O_3)_2+O_2\stackrel{嗜堿性芽孢桿菌}{\longrightarrow}CaCO_3+CO_2+H_2O+其他代謝產(chǎn)物。生成的二氧化碳并不會直接逸散，而是繼續(xù)參與反應(yīng)，它會與水泥水化產(chǎn)物氫氧化鈣（Ca(OH)_2）發(fā)生反應(yīng)，CO_2+Ca(OH)_2\longrightarrowCaCO_3+H_2O，進(jìn)一步生成碳酸鈣沉淀。這種礦化途徑對環(huán)境幾乎沒有不利影響，不會產(chǎn)生有害氣體或其他污染物，符合環(huán)保要求。該途徑也存在一些局限性。依靠細(xì)菌自身有氧呼吸作用產(chǎn)生沉淀的過程相對緩慢，這是因為有氧呼吸涉及一系列復(fù)雜的生物化學(xué)反應(yīng)，需要消耗能量和氧氣，而且這些反應(yīng)的速率相對較低，導(dǎo)致碳酸鈣沉淀的生成速度較慢。該過程需要氧氣的參與，而在裂縫深處，由于氧氣的擴(kuò)散受到限制，氧氣含量較低，這就限制了嗜堿性芽孢桿菌的代謝活動，進(jìn)而限制了可修復(fù)裂縫的深度。在實際應(yīng)用中，對于一些較深的裂縫，可能無法完全依靠這種機(jī)制進(jìn)行有效修復(fù)，需要結(jié)合其他修復(fù)方法或采取措施提高裂縫深處的氧氣含量，以增強(qiáng)修復(fù)效果。3.1.3細(xì)菌無氧呼吸分解有機(jī)碳細(xì)菌無氧呼吸分解有機(jī)碳是微生物誘導(dǎo)礦化沉淀結(jié)晶的又一重要機(jī)制，硝酸鹽還原菌、硫酸鹽還原菌等在這一過程中發(fā)揮關(guān)鍵作用，為砂漿裂縫的修復(fù)提供了一種獨(dú)特的途徑。以硝酸鹽還原菌為例，當(dāng)處于無氧環(huán)境且存在有機(jī)碳源的條件下，硝酸鹽還原菌能夠通過自身的無氧呼吸作用將有機(jī)碳源分解。在這一過程中，有機(jī)碳源首先被氧化分解，產(chǎn)生電子和質(zhì)子。硝酸鹽（NO_3^-）作為電子受體，接受電子后被逐步還原，其還原過程較為復(fù)雜，涉及多個中間產(chǎn)物，最終被還原為氮?dú)猓∟_2）或氨（NH_3）。在有機(jī)碳源分解過程中，會產(chǎn)生碳酸根離子（CO_3^{2-}）和碳酸氫根離子（HCO_3^-），化學(xué)反應(yīng)式可簡單表示為：有機(jī)碳源+NO_3^-\stackrel{硝酸鹽還原菌}{\longrightarrow}CO_3^{2-}+HCO_3^-+N_2(或NH_3)+其他代謝產(chǎn)物。產(chǎn)生的碳酸根離子和碳酸氫根離子會與周圍環(huán)境中的鈣離子（Ca^{2+}）發(fā)生反應(yīng)，Ca^{2+}+CO_3^{2-}\longrightarrowCaCO_3\downarrow，Ca^{2+}+HCO_3^-\longrightarrowCaCO_3\downarrow+H^+，從而生成碳酸鈣沉淀。硫酸鹽還原菌的作用機(jī)制與之類似，在無氧條件下，硫酸鹽還原菌以有機(jī)碳源為電子供體，將硫酸鹽（SO_4^{2-}）還原為硫化氫（H_2S），同時有機(jī)碳源被氧化分解產(chǎn)生碳酸根離子等，進(jìn)而與鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀。利用細(xì)菌無氧呼吸分解有機(jī)碳的研究相對較少，主要原因在于生成沉淀修復(fù)裂縫的過程同樣緩慢。無氧呼吸的能量產(chǎn)生效率較低，微生物為了獲取足夠的能量維持生命活動，需要較長時間的代謝過程，這導(dǎo)致碳酸鈣沉淀的生成速度較慢。在裂縫表面附近很難保證無氧環(huán)境，無法滿足其礦化所需條件。砂漿裂縫通常與外界環(huán)境相通，氧氣容易進(jìn)入裂縫，使得裂縫表面附近難以維持無氧狀態(tài)，限制了硝酸鹽還原菌等的代謝活動，從而影響了碳酸鈣沉淀的生成和裂縫的修復(fù)效果。在實際應(yīng)用中，需要尋找合適的方法來創(chuàng)造無氧環(huán)境，或者篩選和培養(yǎng)對氧氣耐受性更強(qiáng)的微生物，以提高這種修復(fù)機(jī)制的有效性。3.1.4碳酸酐酶促進(jìn)CO_2水化碳酸酐酶促進(jìn)CO_2水化是一種獨(dú)特的微生物誘導(dǎo)礦化沉淀結(jié)晶機(jī)理，錢春香課題組篩選出的含有碳酸酐酶的細(xì)菌在這一過程中發(fā)揮著核心作用，為解決傳統(tǒng)異養(yǎng)型礦化途徑的問題提供了新的思路。傳統(tǒng)的礦化途徑，如上述的脲酶作用下尿素分解、細(xì)菌有氧呼吸分解有機(jī)酸鈣以及細(xì)菌無氧呼吸分解有機(jī)碳等，均屬于異養(yǎng)途徑，都需要額外加入微生物礦化所需的底物，如碳源或鈣源。這些底物的摻入不僅會提高混凝土或砂漿的成本，還可能對其自身性能產(chǎn)生一定的影響，如改變材料的化學(xué)組成、物理性質(zhì)等，進(jìn)而影響材料的耐久性和力學(xué)性能。錢春香課題組提出的自養(yǎng)型MICP途徑則有效地解決了這一問題。該課題組篩選出的含有碳酸酐酶的細(xì)菌，能夠大幅提高CO_2的水解速率。碳酸酐酶是一種高效的催化劑，它能夠催化CO_2與水的反應(yīng)，CO_2+H_2O\stackrel{碳酸酐酶}{\rightleftharpoons}H_2CO_3，使CO_2迅速轉(zhuǎn)化為碳酸（H_2CO_3）。碳酸在水溶液中會發(fā)生電離，H_2CO_3\rightleftharpoonsH^++HCO_3^-，HCO_3^-\rightleftharpoonsH^++CO_3^{2-}，從而產(chǎn)生碳酸根離子（CO_3^{2-}）。在堿性環(huán)境下，如砂漿內(nèi)部的高堿性環(huán)境，碳酸根離子的濃度會進(jìn)一步增加。此時，周圍游離的鈣離子（Ca^{2+}）會與碳酸根離子結(jié)合，Ca^{2+}+CO_3^{2-}\longrightarrowCaCO_3\downarrow，生成碳酸鈣沉淀，實現(xiàn)對砂漿裂縫的修復(fù)。這種自養(yǎng)型礦化途徑不需要額外添加碳源或鈣源，而是利用環(huán)境中的CO_2和鈣離子作為原料，不僅降低了成本，還減少了對材料性能的影響，具有重要的實際應(yīng)用價值。碳酸酐酶的高效催化作用使得CO_2的水化和碳酸鈣沉淀的生成過程更加迅速和高效，能夠在較短的時間內(nèi)對砂漿裂縫進(jìn)行有效的修復(fù)，提高了材料的自修復(fù)能力和耐久性。3.2影響砂漿自修復(fù)效果的因素微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)過程中，其修復(fù)效果受到多種因素的綜合影響，深入探究這些因素對于優(yōu)化自修復(fù)性能、提高砂漿耐久性具有重要意義。微生物種類是影響自修復(fù)效果的關(guān)鍵因素之一。不同種類的微生物具有獨(dú)特的代謝途徑和生理特性，這使得它們在誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀以及適應(yīng)砂漿環(huán)境方面存在顯著差異。巴氏芽孢桿菌作為研究最為廣泛的微生物之一，其體內(nèi)含有脲酶，能夠高效地將尿素分解為氨和二氧化碳，進(jìn)而促使碳酸鈣沉淀的生成。這種微生物具有沉淀生成量大、速率高的優(yōu)勢，能夠在較短時間內(nèi)對砂漿裂縫進(jìn)行有效修復(fù)。然而，該過程產(chǎn)生的氨會對環(huán)境造成一定的負(fù)擔(dān)，這在實際應(yīng)用中需要加以考慮。相比之下，嗜堿性芽孢桿菌通過有氧呼吸分解有機(jī)酸鈣來生成碳酸鈣沉淀，此途徑對環(huán)境幾乎沒有不利影響，但依靠細(xì)菌自身有氧呼吸作用產(chǎn)生沉淀的過程較為緩慢，且該過程需要氧氣的參與，裂縫深處氧氣含量較低限制了可修復(fù)裂縫的深度。錢春香課題組篩選出的含有碳酸酐酶的細(xì)菌，能夠大幅提高二氧化碳的水解速率，在堿性環(huán)境下促進(jìn)碳酸根離子的生成，從而與周圍游離的鈣離子反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀。這種自養(yǎng)型微生物不需要額外添加碳源或鈣源，降低了成本并減少對砂漿性能的影響，展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。不同微生物的耐堿性、生長速度、對底物的利用效率等特性都不盡相同，這些差異直接影響著微生物在砂漿中的生存能力、代謝活性以及碳酸鈣沉淀的生成量和質(zhì)量，進(jìn)而決定了砂漿的自修復(fù)效果。微生物濃度同樣對自修復(fù)效果有著重要影響。在一定范圍內(nèi)，隨著微生物濃度的增加，砂漿的自修復(fù)效果呈現(xiàn)出增強(qiáng)的趨勢。較高的微生物濃度意味著在裂縫處有更多的微生物參與代謝活動，能夠產(chǎn)生更多的碳酸鈣沉淀來填充裂縫。當(dāng)微生物濃度達(dá)到一定程度后，自修復(fù)效果可能不再隨著濃度的增加而顯著提升，甚至?xí)霈F(xiàn)下降的情況。這是因為過高的微生物濃度可能導(dǎo)致營養(yǎng)物質(zhì)競爭加劇，微生物之間相互抑制生長，同時代謝產(chǎn)物的積累也可能對微生物的活性產(chǎn)生負(fù)面影響。此外，過高的微生物濃度還可能會對砂漿的其他性能產(chǎn)生不利影響，如改變砂漿的工作性能、力學(xué)性能等。在實際應(yīng)用中，需要通過實驗確定微生物的最佳濃度，以實現(xiàn)最佳的自修復(fù)效果和砂漿性能的平衡。底物種類和濃度是影響微生物代謝和碳酸鈣沉淀生成的重要因素。不同的底物會導(dǎo)致微生物的代謝途徑和產(chǎn)物不同，從而影響自修復(fù)效果。以尿素和乳酸鈣分別作為底物時，微生物的代謝過程和生成的碳酸鈣沉淀特性存在差異。尿素作為底物時，巴氏芽孢桿菌通過脲酶分解尿素產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，該過程沉淀生成量大、速率高；而乳酸鈣作為底物時，嗜堿性芽孢桿菌通過有氧呼吸分解乳酸鈣生成碳酸鈣沉淀，過程相對緩慢。底物濃度也會對自修復(fù)效果產(chǎn)生顯著影響。底物濃度過低，微生物可利用的營養(yǎng)物質(zhì)不足，會導(dǎo)致代謝活動減弱，碳酸鈣沉淀生成量減少，從而降低自修復(fù)效果。若底物濃度過高，可能會對微生物產(chǎn)生毒性，抑制其生長和代謝，同樣不利于自修復(fù)。研究表明，對于巴氏芽孢桿菌，尿素濃度在0.6-1mol/L，鈣離子濃度為1-1.5mol/L時，微生物的生長和礦化效果較為理想，但具體的最佳底物濃度還需根據(jù)微生物種類、載體材料以及砂漿的實際情況進(jìn)行調(diào)整。裂縫寬度和深度是影響自修復(fù)效果的重要外部因素。裂縫寬度直接關(guān)系到微生物及其代謝產(chǎn)物能否順利進(jìn)入裂縫并填充裂縫。較窄的裂縫可能會限制微生物的進(jìn)入和擴(kuò)散，使得微生物無法在裂縫內(nèi)充分生長和代謝，從而影響碳酸鈣沉淀的生成和填充效果。當(dāng)裂縫寬度超過一定范圍時，微生物產(chǎn)生的碳酸鈣沉淀量可能不足以完全填充裂縫，導(dǎo)致自修復(fù)效果不佳。研究表明，對于微生物自修復(fù)砂漿，一般裂縫寬度在0.1-0.5mm之間時，自修復(fù)效果較好，能夠?qū)崿F(xiàn)裂縫的有效填充和強(qiáng)度恢復(fù)。裂縫深度也會對自修復(fù)效果產(chǎn)生影響。裂縫越深，氧氣、水分和營養(yǎng)物質(zhì)的擴(kuò)散難度越大，這會限制微生物的生長和代謝活動。在裂縫深處，氧氣含量較低，對于一些需要氧氣參與代謝的微生物來說，會抑制其活性，影響碳酸鈣沉淀的生成。裂縫深處的環(huán)境條件可能更加復(fù)雜，如溫度、pH值等可能與裂縫表面存在差異，這也會對微生物的生存和自修復(fù)效果產(chǎn)生不利影響。養(yǎng)護(hù)條件對砂漿自修復(fù)效果起著至關(guān)重要的作用。溫度對微生物的生長和代謝有著顯著影響。不同種類的微生物具有各自適宜的生長溫度范圍，超出這個范圍，微生物的生理活動將受到抑制。適用于砂漿自修復(fù)的微生物，如巴氏芽孢桿菌適宜在中溫環(huán)境下生長，其最適生長溫度一般在30-37℃之間。在這個溫度范圍內(nèi)，微生物體內(nèi)的酶活性較高，能夠高效催化代謝反應(yīng)的進(jìn)行，促進(jìn)微生物的生長和繁殖，從而有利于碳酸鈣沉淀的產(chǎn)生。當(dāng)溫度低于最適生長溫度時，微生物的酶活性降低，代謝速率減慢，微生物的生長受到抑制，碳酸鈣沉淀的生成量也會減少；當(dāng)溫度過高時，酶的結(jié)構(gòu)可能會被破壞，導(dǎo)致酶失活，微生物的代謝活動無法正常進(jìn)行，甚至?xí)?dǎo)致微生物死亡，嚴(yán)重影響材料的自修復(fù)性能。濕度也是影響自修復(fù)效果的重要因素。適宜的濕度能夠為微生物提供良好的生存環(huán)境，保證微生物的正常代謝活動。若濕度太低，砂漿中的水分不足，微生物可能會因缺水而無法正常生長和代謝，影響碳酸鈣沉淀的生成；若濕度太高，可能會導(dǎo)致微生物過度生長，代謝產(chǎn)物積累過多，對砂漿性能產(chǎn)生不利影響。在實際養(yǎng)護(hù)過程中，需要根據(jù)微生物的特性和砂漿的要求，合理控制溫度和濕度，為微生物的生長和自修復(fù)提供適宜的環(huán)境條件。四、微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用案例分析4.1案例一：低溫環(huán)境微生物灌入法修復(fù)砂漿在低溫環(huán)境下，常用微生物的生長活性會顯著降低，從而導(dǎo)致對混凝土和砂漿的修復(fù)能力減弱。為解決這一問題，相關(guān)研究采用灌入法對嗜溫和耐寒細(xì)菌及兩者組合在室溫和低溫下對砂漿裂縫的修復(fù)效果展開研究，其中耐寒短桿菌A779在低溫環(huán)境下展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢。實驗過程中，首先制備帶有預(yù)制裂縫的砂漿試件。將水泥、砂、水按照一定比例混合攪拌，制成尺寸為40mm×40mm×160mm的砂漿試件。在試件初凝前，利用特制模具在試件中部制造出寬度約為0.3-0.5mm的裂縫，以模擬實際工程中砂漿出現(xiàn)的裂縫情況。將制備好的砂漿試件分為多組，分別標(biāo)記為對照組、嗜溫菌組（巴氏芽孢桿菌fwzy14）、耐寒菌組（耐寒短桿菌A779）以及兩者組合組。對于不同組別的試件，采用灌入法注入不同的菌液和礦化液。菌液采用LB培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，培養(yǎng)至對數(shù)生長期后，離心收集菌體，并用無菌水洗滌多次，制成一定濃度的菌懸液。礦化液則根據(jù)不同的細(xì)菌代謝方式進(jìn)行配制，以硝酸鈣作為鈣源，同時添加適量的營養(yǎng)物質(zhì)。對于以尿素為底物的反應(yīng)體系，還需添加尿素。將菌懸液和礦化液按照一定比例混合均勻，得到微生物修復(fù)液。使用注射器將微生物修復(fù)液緩慢注入砂漿試件的裂縫中，確保修復(fù)液充分填充裂縫。將注入修復(fù)液的砂漿試件分別置于室溫和低溫環(huán)境下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)。室溫環(huán)境保持在25℃左右，相對濕度為60%-70%；低溫環(huán)境設(shè)置為5℃，相對濕度同樣控制在60%-70%。在養(yǎng)護(hù)過程中，定期觀察試件裂縫的變化情況，并記錄相關(guān)數(shù)據(jù)。經(jīng)過一定時間的養(yǎng)護(hù)后，對修復(fù)后的砂漿試件進(jìn)行抗折和抗壓強(qiáng)度測試。抗折強(qiáng)度測試采用三點彎曲法，將試件放置于抗折試驗機(jī)的兩支撐點上，支撐點間距為100mm，以5±1mm/min的速率施加垂直于試件長度方向的力，直至試件斷裂，記錄斷裂時的最大負(fù)荷，根據(jù)公式計算抗折強(qiáng)度：抗折強(qiáng)度=最大負(fù)荷×支持點間距÷（2×試件寬度×試件高度）。抗壓強(qiáng)度測試則使用水泥膠砂強(qiáng)度壓力試驗機(jī)，將試件放置在試驗機(jī)的工作臺上，以規(guī)定的加載速率施加壓力，直至試件破壞，記錄破壞時的最大荷載，根據(jù)公式計算抗壓強(qiáng)度：抗壓強(qiáng)度=破壞荷載÷試件受壓面積。對比分析修復(fù)前后砂漿試件的性能指標(biāo)發(fā)現(xiàn)，與嗜溫的巴氏芽孢桿菌fwzy14相比，耐寒短桿菌A779在常溫和低溫下均具有較強(qiáng)的生長活性。在低溫環(huán)境下，巴氏芽孢桿菌fwzy14的生長受到明顯抑制，其修復(fù)后的砂漿試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度提升幅度較?。欢秃虠U菌A779修復(fù)后的砂漿試件抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度有顯著提高。在低溫5℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天后，巴氏芽孢桿菌fwzy14修復(fù)組的抗折強(qiáng)度較修復(fù)前提高了10%左右，抗壓強(qiáng)度提高了15%左右；而耐寒短桿菌A779修復(fù)組的抗折強(qiáng)度較修復(fù)前提高了30%左右，抗壓強(qiáng)度提高了40%左右。當(dāng)以硝酸鈣作為鈣源時，A779可以通過有氧呼吸和硝酸鹽還原兩種方式代謝，使其能夠在裂縫深處缺氧區(qū)域生長代謝，從而對裂縫進(jìn)行深度修復(fù)，有效填充裂縫深處，提高了砂漿的整體性和強(qiáng)度。耐寒短桿菌A779在低溫下具有生長活性強(qiáng)、代謝方式多樣等修復(fù)優(yōu)勢，能夠有效提高砂漿在低溫環(huán)境下的自修復(fù)效果，顯著提升修復(fù)后砂漿的抗折和抗壓強(qiáng)度，為低溫環(huán)境下砂漿裂縫的修復(fù)提供了一種有效的解決方案，具有廣闊的應(yīng)用前景。4.2案例二：基于MICP的珊瑚砂砂漿裂縫自修復(fù)劉士雨等人開展的一項研究，用以石膏為細(xì)菌載體及以乳酸鈣、尿素為底物的自修復(fù)劑，基于微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀（MICP）技術(shù)實現(xiàn)了珊瑚砂砂漿裂縫的自修復(fù)，為該領(lǐng)域提供了新的解決方案和思路。在實驗準(zhǔn)備階段，首先進(jìn)行了微生物的篩選與培養(yǎng)。選用的微生物能夠高效地利用乳酸鈣和尿素作為底物，通過自身的代謝活動誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀的生成。在培養(yǎng)過程中，嚴(yán)格控制營養(yǎng)物質(zhì)的組成和比例，確保微生物能夠快速生長和繁殖。同時，對培養(yǎng)環(huán)境的溫度、pH值等條件進(jìn)行精確調(diào)控，為微生物提供適宜的生存環(huán)境，使其達(dá)到最佳的生長狀態(tài)。載體材料方面，選擇石膏作為細(xì)菌載體。石膏具有獨(dú)特的物理和化學(xué)性質(zhì)，其多孔結(jié)構(gòu)能夠為微生物提供良好的附著位點和生存空間，同時，石膏的化學(xué)穩(wěn)定性和生物相容性較好，不會對微生物的生長和代謝產(chǎn)生負(fù)面影響。在制備石膏載體時，通過優(yōu)化制備工藝，控制石膏的孔隙結(jié)構(gòu)和孔徑分布，使其更有利于微生物的負(fù)載和活性發(fā)揮。實驗采用尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體珊瑚砂砂漿試件，在試件初凝前，利用特制模具在試件中部制造出寬度約為0.3-0.5mm的裂縫，以模擬實際工程中珊瑚砂砂漿出現(xiàn)的裂縫情況。將制備好的試件分為多組，分別設(shè)置不同的自修復(fù)劑配比和養(yǎng)護(hù)方式。自修復(fù)劑由含菌載體（石膏負(fù)載微生物）、乳酸鈣和尿素等組成，通過改變含菌載體和底物的摻量，研究其對自修復(fù)效果的影響。養(yǎng)護(hù)方式設(shè)置為標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)（溫度20±2℃，相對濕度95%以上）和水中養(yǎng)護(hù)（溫度20±2℃，試件完全浸泡在水中）。經(jīng)過一定時間的養(yǎng)護(hù)后，對修復(fù)后的試件進(jìn)行外觀觀察和力學(xué)性能測試。外觀觀察發(fā)現(xiàn)，摻入石膏為細(xì)菌載體的自修復(fù)劑后，試樣裂縫自修復(fù)效果良好，裂縫寬度明顯減小，部分裂縫甚至完全愈合。力學(xué)性能測試結(jié)果表明，當(dāng)含菌載體和底物摻量均為3.0%時，試樣裂縫有較好的自修復(fù)效果，同時對珊瑚砂砂漿強(qiáng)度影響相對較小。在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)條件下，修復(fù)后的試件抗壓強(qiáng)度較未修復(fù)試件提高了15%左右，抗折強(qiáng)度提高了20%左右；在水中養(yǎng)護(hù)條件下，修復(fù)后的試件抗壓強(qiáng)度較未修復(fù)試件提高了20%左右，抗折強(qiáng)度提高了25%左右。這表明水中養(yǎng)護(hù)更有利于微生物的生長和代謝，從而提高了裂縫的修復(fù)效果。通過X射線衍射（XRD）分析裂縫區(qū)生成物的礦物成分，結(jié)果表明裂縫生成物主要是方解石和球霰石型碳酸鈣。方解石和球霰石型碳酸鈣具有良好的填充和膠結(jié)性能，能夠有效地填充裂縫，增強(qiáng)砂漿的整體性和強(qiáng)度。利用掃描電子顯微鏡（SEM）觀察裂縫區(qū)生成物的形態(tài)，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣晶體呈現(xiàn)出多種形態(tài)，包括六面體、片狀、球狀等，這些不同形態(tài)的晶體相互交織，形成了致密的填充結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高了裂縫的修復(fù)效果。該研究驗證了石膏作為細(xì)菌載體修復(fù)珊瑚砂砂漿裂縫的可行性，通過優(yōu)化自修復(fù)劑配比和養(yǎng)護(hù)方式，可以顯著提高珊瑚砂砂漿裂縫的自修復(fù)效果，為實際工程中珊瑚砂砂漿結(jié)構(gòu)的修復(fù)和維護(hù)提供了重要的參考依據(jù)。4.3案例三：建筑用微生物自修復(fù)保溫砂漿山西晟科微生物建材科技有限公司研發(fā)的一種建筑用微生物自修復(fù)保溫砂漿，在建筑保溫領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能優(yōu)勢和應(yīng)用潛力。該砂漿以微生物礦化沉積產(chǎn)物作為膠凝材料，有效避免了傳統(tǒng)水泥的使用，具有綠色環(huán)保的特點。這種保溫砂漿的原材料組成豐富且獨(dú)特。它包含100份礦化微生物菌液，其中礦化微生物菌液為KJ01菌液，該微生物KJ01已于2018年3月26日保藏于中國微生物菌種保藏管理委員會普通微生物中心，保藏編號為CGMCCNo.15516，其濃度OD600值為1.0-1.5。100份微生物營養(yǎng)液，該營養(yǎng)液由水、尿素和硝酸鈣組成，其中尿素的濃度為0.6-1mol/L，鈣離子濃度為1-1.5mol/L。50-100份無機(jī)保溫輕骨料，包括膨脹珍珠巖、?；⒅?、膨脹蛭石、陶粒、陶砂等，這些無機(jī)保溫輕骨料具有良好的隔熱性能，能夠有效阻止熱量的傳遞。50-100份珠光砂，珠光砂同樣具有優(yōu)異的保溫性能，能夠進(jìn)一步提升砂漿的隔熱效果。50-100份80-120目超細(xì)膨脹珍珠巖，超細(xì)膨脹珍珠巖的加入可以優(yōu)化砂漿的孔隙結(jié)構(gòu)，提高其保溫性能。1-2份聚丙烯纖維，聚丙烯纖維能夠增強(qiáng)砂漿的韌性，有效防止裂縫的產(chǎn)生和擴(kuò)展。1-4份HPMC（羥丙基甲基纖維素），HPMC可以改善砂漿的工作性能，提高其保水性和粘結(jié)性。10-40份可再分散性乳膠粉，可再分散性乳膠粉能夠增強(qiáng)砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度，提高其耐久性。1-4份有機(jī)保溫輕骨料，如聚苯顆粒、酚醛顆粒、聚氨酯顆粒等，有機(jī)保溫輕骨料的加入進(jìn)一步降低了砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)，提高了保溫性能。5-10份早強(qiáng)劑，早強(qiáng)劑為磷酸鉀鎂水泥，能夠加快砂漿的早期強(qiáng)度發(fā)展，縮短施工周期。5-10份聚合物添加劑，聚合物添加劑為環(huán)氧樹脂乳液、丙烯酸酯乳液，或者環(huán)氧樹脂乳液和丙烯酸酯乳液按質(zhì)量比為1:2-3的混合乳液，聚合物添加劑能夠改善砂漿的物理性能，提高其抗裂性和耐久性。在性能特點方面，該保溫砂漿表現(xiàn)出色。其導(dǎo)熱系數(shù)低，這是衡量保溫材料性能的關(guān)鍵指標(biāo)。較低的導(dǎo)熱系數(shù)意味著熱量難以通過砂漿傳遞，能夠有效地保持建筑物內(nèi)部的溫度穩(wěn)定，減少能源消耗。實驗數(shù)據(jù)表明，該保溫砂漿的導(dǎo)熱系數(shù)可低至0.060W/(m?K)，相比傳統(tǒng)以水泥為膠凝材料的保溫砂漿，導(dǎo)熱系數(shù)顯著降低，保溫性能得到大幅提升。該砂漿具有較高的強(qiáng)度，其抗壓強(qiáng)度能夠滿足建筑工程的基本要求。在實際應(yīng)用中，足夠的抗壓強(qiáng)度可以保證砂漿在承受一定壓力時不會輕易損壞，確保建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。該保溫砂漿還具有良好的抗裂性和耐久性。聚丙烯纖維和聚合物添加劑的加入，有效增強(qiáng)了砂漿的韌性和抗裂性能，減少了裂縫的產(chǎn)生。微生物礦化沉積產(chǎn)物作為膠凝材料，使得砂漿具有較好的耐久性，能夠在長期使用過程中保持穩(wěn)定的性能，延長建筑物的使用壽命。在實際建筑保溫工程應(yīng)用中，該微生物自修復(fù)保溫砂漿展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢。在新建鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的內(nèi)、外保溫抹灰工程中，其良好的保溫性能能夠有效降低建筑物的能耗，減少空調(diào)、供暖等設(shè)備的使用頻率，從而降低能源成本。在舊有建筑物保溫工程改造中，該砂漿的自修復(fù)功能發(fā)揮了重要作用。當(dāng)砂漿出現(xiàn)裂縫后，水分和空氣進(jìn)入裂縫可以活化微生物，微生物進(jìn)一步利用砂漿中的營養(yǎng)物質(zhì)礦化沉積產(chǎn)生碳酸鈣封堵裂縫，有效提高了建筑物的保溫性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，減少了維修成本和工作量。該保溫砂漿避免了傳統(tǒng)水泥的使用，顯著減少了碳排放，符合綠色環(huán)保的理念，為可持續(xù)建筑發(fā)展做出了積極貢獻(xiàn)。五、微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)中的應(yīng)用效果評價5.1修復(fù)效果的檢測方法5.1.1裂縫寬度測量裂縫寬度是評估砂漿自修復(fù)效果的重要指標(biāo)之一，它直觀地反映了裂縫的大小和愈合程度。常用的裂縫寬度測量方法包括直接測量法和圖像分析法。直接測量法是一種較為傳統(tǒng)且直觀的方法，使用裂縫觀測儀、讀數(shù)顯微鏡等專業(yè)儀器進(jìn)行測量。裂縫觀測儀通常由光學(xué)系統(tǒng)、刻度裝置和照明系統(tǒng)組成，通過將儀器的鏡頭對準(zhǔn)裂縫，利用光學(xué)原理放大裂縫圖像，操作人員可以直接從刻度裝置上讀取裂縫寬度數(shù)值。讀數(shù)顯微鏡則是利用顯微鏡的放大功能，對裂縫進(jìn)行觀察和測量，通過顯微鏡上的刻度標(biāo)尺來確定裂縫寬度。這些儀器的精度較高，能夠滿足對裂縫寬度精確測量的需求。裂縫觀測儀的精度可達(dá)0.01mm，讀數(shù)顯微鏡的精度也能達(dá)到0.01mm甚至更高，能夠準(zhǔn)確測量出裂縫寬度的細(xì)微變化。直接測量法操作相對簡單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和技術(shù)，成本較低。但該方法也存在一定的局限性，測量過程較為繁瑣，需要人工逐點測量，效率較低，且測量結(jié)果容易受到人為因素的影響，如操作人員的視力、測量角度等。圖像分析法是隨著計算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展而逐漸興起的一種測量方法。其原理是利用數(shù)碼相機(jī)、攝像機(jī)等設(shè)備采集砂漿裂縫的圖像，然后通過專業(yè)的圖像處理軟件對圖像進(jìn)行分析和處理，從而計算出裂縫寬度。在圖像采集過程中，需要注意保證圖像的清晰度和完整性，避免圖像模糊、失真等問題影響測量結(jié)果。采集時應(yīng)選擇合適的拍攝角度和光線條件，確保裂縫在圖像中清晰可見。在圖像處理階段，軟件通常會對圖像進(jìn)行灰度化、濾波、邊緣檢測等操作，以提取出裂縫的邊緣信息，進(jìn)而計算出裂縫寬度。一些先進(jìn)的圖像處理軟件還能夠?qū)崿F(xiàn)對裂縫的自動識別和測量，大大提高了測量效率和準(zhǔn)確性。圖像分析法具有測量速度快、效率高、能夠?qū)崿F(xiàn)自動化測量等優(yōu)點，還可以對大量的裂縫圖像進(jìn)行批量處理和分析，便于對不同工況下的裂縫寬度進(jìn)行對比研究。該方法的測量精度也受到圖像分辨率、噪聲等因素的影響，在實際應(yīng)用中需要對測量結(jié)果進(jìn)行驗證和校準(zhǔn)，以確保其準(zhǔn)確性。5.1.2抗壓強(qiáng)度測試抗壓強(qiáng)度是衡量砂漿力學(xué)性能的關(guān)鍵指標(biāo)，通過測試修復(fù)前后砂漿的抗壓強(qiáng)度，可以直觀地了解微生物活性功能材料對砂漿自修復(fù)后強(qiáng)度恢復(fù)的影響?？箟簭?qiáng)度測試通常采用萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行。在試驗前，需要按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制備標(biāo)準(zhǔn)尺寸的砂漿試件，常見的試件尺寸為70.7mm×70.7mm×70.7mm立方體。制備試件時，要嚴(yán)格控制原材料的配比、攪拌工藝和養(yǎng)護(hù)條件，以確保試件的質(zhì)量和性能具有代表性。將制備好的試件放置在萬能材料試驗機(jī)的工作臺上，調(diào)整好試件的位置，使其中心與試驗機(jī)的加載中心對準(zhǔn)。在加載過程中，按照規(guī)定的加載速率緩慢施加壓力，一般加載速率為0.5-1.5kN/s，對于強(qiáng)度較低的砂漿取下限，強(qiáng)度較高的砂漿取上限，以保證試驗結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。隨著壓力的逐漸增加，試件會逐漸發(fā)生變形，當(dāng)壓力達(dá)到一定值時，試件會發(fā)生破壞，此時試驗機(jī)記錄下的破壞荷載即為試件的抗壓破壞荷載。根據(jù)公式抗壓強(qiáng)度=破壞荷載÷試件受壓面積，可以計算出試件的抗壓強(qiáng)度。通過對比修復(fù)前后砂漿試件的抗壓強(qiáng)度，可以評估微生物活性功能材料的修復(fù)效果。若修復(fù)后的砂漿試件抗壓強(qiáng)度明顯提高，接近或達(dá)到未開裂試件的抗壓強(qiáng)度水平，說明微生物活性功能材料對砂漿裂縫的修復(fù)效果良好，能夠有效恢復(fù)砂漿的力學(xué)性能；反之，若修復(fù)后的抗壓強(qiáng)度提升不明顯或低于未修復(fù)試件的強(qiáng)度，則說明修復(fù)效果不理想，需要進(jìn)一步優(yōu)化微生物活性功能材料的配方和應(yīng)用工藝。在低溫環(huán)境微生物灌入法修復(fù)砂漿的案例中，耐寒短桿菌A779修復(fù)后的砂漿試件在低溫5℃環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天后，抗壓強(qiáng)度較修復(fù)前提高了40%左右，這充分表明了該微生物在低溫環(huán)境下對砂漿裂縫的有效修復(fù)，顯著提升了砂漿的抗壓強(qiáng)度。5.1.3微觀結(jié)構(gòu)觀察（如掃描電鏡）微觀結(jié)構(gòu)觀察是深入了解微生物活性功能材料在砂漿自修復(fù)過程中作用機(jī)制和修復(fù)效果的重要手段，掃描電子顯微鏡（SEM）是常用的微觀結(jié)構(gòu)觀測儀器之一。掃描電子顯微鏡利用聚焦電子束與樣品表面相互作用產(chǎn)生的二次電子、背散射電子等信號來成像，能夠以極高的分辨率觀察樣品表面的形貌和結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)，其二次電子成像分辨率可達(dá)5nm。在對修復(fù)后的砂漿進(jìn)行微觀結(jié)構(gòu)觀察時，首先需要從修復(fù)后的砂漿試件中截取合適的樣品，樣品的尺寸一般為幾毫米到十幾毫米，要確保樣品能夠代表修復(fù)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征。對樣品進(jìn)行預(yù)處理，包括打磨、拋光、鍍膜等步驟，以提高樣品的導(dǎo)電性和成像質(zhì)量。打磨和拋光可以使樣品表面平整光滑，減少表面粗糙度對成像的影響；鍍膜則是在樣品表面鍍上一層薄薄的金屬膜（如金、鉑等），以增強(qiáng)樣品的導(dǎo)電性，避免在電子束照射下產(chǎn)生電荷積累，影響成像效果。將預(yù)處理后的樣品放置在掃描電子顯微鏡的樣品臺上，調(diào)整好儀器的參數(shù)，如加速電壓、工作距離、放大倍數(shù)等，然后進(jìn)行觀察和拍照。在觀察過程中，可以從不同的放大倍數(shù)和角度對樣品進(jìn)行成像，以全面了解修復(fù)區(qū)域的微觀結(jié)構(gòu)特征。在較低放大倍數(shù)下，可以觀察到砂漿的整體結(jié)構(gòu)，如水泥石、骨料、裂縫等的分布情況；在較高放大倍數(shù)下，可以觀察到微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體的形態(tài)、大小、分布以及與周圍水泥石的結(jié)合情況。通過掃描電子顯微鏡觀察，可以發(fā)現(xiàn)微生物誘導(dǎo)產(chǎn)生的碳酸鈣晶體呈現(xiàn)出多種形態(tài)，包括六面體、片狀、球狀等，這些晶體相互交織，填充在裂縫中，形成了致密的結(jié)構(gòu)，有效地增強(qiáng)了砂漿的整體性和強(qiáng)度。在基于MICP的珊瑚砂砂漿裂縫自修復(fù)案例中，通過掃描電子顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，裂縫中生成的碳酸鈣晶體相互交織，填充了裂縫，使砂漿的微觀結(jié)構(gòu)更加致密，從而提高了砂漿的力學(xué)性能和自修復(fù)