水泥基材料作为目前用量最大的一种建筑材料，其最大的缺点就是在材料制备过程以及服役期间，由于荷载和外界因素的作用，其表面容易产生疏松、剥落等缺陷，甚至在材料内部产生微裂缝。这些缺陷若不能及时得以修复，外界水和侵蚀性介质不断从材料表面缺陷逐渐渗入，最终将引起混凝土耐久性能的加速劣化。混凝土表面与内部缺陷修复已成为一个重要的独立行业，许多混凝土表面防护涂料和裂缝修补材料不断问世，如环氧类树脂、水泥基渗透结晶型材料、聚合物砂浆，以及高分子灌浆材料等。这些材料在混凝土缺陷修复中发挥了重要作用，但是如何解决这些修复防护有机材料与水泥基材料的相容性，进一步提高其抗老化性能和耐久性能，增强其环境友好性，一直是众多研究者们致力突破的研究方向。　　 方解石是自然界最稳定的矿物之一，将其作为水泥基等人工石材的修复防护材料具有不可比拟的优越条件。近年来，研究者们惊喜的发现自然界很多微生物可在细胞体外完成方解石的矿化形成，这一矿化过程被称作为MCP(Microbial Carbonate Precipitation)，此类微生物被命名为碳酸盐矿化菌(Carbonate-Mineralization Microbe)，其通过与周围环境介质之间不断循环发生的酶化作用，逐渐矿化形成方解石，再经过漫长时期的累积，最终将自然界中沉积的疏松碎屑物质胶结形成坚硬的岩石。自本世纪初以来，MCP技术开始得到各国研究机构的重视，本着“模拟自然，学习自然”的科技发展新则，研究者们将其成功应用于砂柱的胶结、混凝土裂缝的修补、混凝土表面的覆膜防护，以及古建筑文物的修复等，修复效果显著。但是需要指出的是，为了能在高碱、低氧、少水的水泥基材料缺陷环境中成功矿化出碳酸钙，给微生物提供最适宜的生长繁殖与酶解矿化条件，研究者们近乎均采用了浸泡工艺，即将待修复的混凝土试件全部浸泡于菌液中，这一工艺无法满足对既有混凝土缺陷原位修复的要求，给MCP技术在实际工程的推广应用带来了诸多限制。　　 本文旨在将MCP技术切实应用于水泥基材料缺陷的原位修复，增强其工艺可操作性，因此，从碳酸盐矿化菌的选育、驯化、诱变，到其酶活的激发、保持与释放，都以水泥基材料修复环境为出发点，开展了适用于高碱、低氧、少水的水泥基材料缺陷修复环境的碳酸盐矿化菌选育与酶活性调适的特色研究，探明了菌液系统中各组分在碳酸钙矿化沉积过程中的核心作用，对微生物矿化碳酸钙的晶型形貌、尺寸粒径、矿化沉积速率进行了有效的调控，研发了微生物矿化碳酸钙单位体积产率提高技术。在此基础上，提供了浸泡、喷涂、涂刷固载等多种覆膜工艺与配比，通过微环境供给加速完成微生物矿化沉积方解石的整个过程，达到原位修复水泥基材料表面缺陷的目的；同时，针对不同尺寸裂缝修复要求，采用涂抹、灌浆、注射等工艺完成水泥基材料裂缝修复，使其在既有混凝土裂缝中矿化胶结基材成为可能，切实增强了MCP技术的工艺可操作性。　　 在适用于水泥基材料缺陷修复的碳酸盐矿化菌选育方面，根据碳酸盐矿化菌产脲酶特征以及水泥基材料中的高碱环境要求，优选获得适宜碱性环境生长的微好氧碳酸盐矿化菌Bacteria B开展培育研究。从接种、营养、工艺等方面对目标菌株进行优化培养，有效调控菌株生长的延迟期和对数期，探明并驯化增强口标菌株在水泥基材料环境中的生长繁殖能力。对比研究了砂、粉煤灰、硅灰、沸石粉等基材pH环境、颗粒细度、空隙率、浆体拌合所需液固比对菌株Bacteria B在基材中生长繁殖的影响，从保证菌株植入水泥基材料中的单位包埋量和二次生长量角度，初步优化获得碳酸盐矿化菌基材修复浆体制备配比。　　 在碳酸盐矿化菌在水泥基修复基材中的酶活性调适方面，探明了碳酸盐矿化菌Bacteria B产酶方式与产酶特征，通过逐级筛选、驯化、诱变育种等技术手段，以及环境条件优化，将Bacteria B菌液单位酶活由1．00mM urea hydrolyzed-min-1·OD-1提升至5．00mM ureahydrolyzed·min-1·OD-1水平，并将其发酵酶解过程从严格的无菌环境拓展到水泥基修复浆体，与污染菌源相互竞争，在高碱环境中逐级驯化适应，拌合于砂、粉煤灰、硅灰、沸石粉等多种基材中制备修复浆体，根据Bacteria B在浆体中酶活性的保持与释放水平，最终确定菌株初始单位投放浓度、最低液固比等修复材料的制备参数，用于指导缺陷修复的相关研究。　　 在碳酸盐矿化菌矿化沉积碳酸钙过程与调控方面，利用驯化得到的具有高酶活的Bacteria B成功矿化沉积出碳酸钙，并通过与离子化学沉积法和植物脲酶沉积法的对比，探明了菌液系统中各组分在碳酸钙矿化沉积过程中的核心作用。细菌分泌有机基质是调控碳酸钙晶体形貌的主要因素，通过其与反应环境条件、成核剂的共同作用，可以有效调控矿化碳酸钙的晶型形貌，细化晶体尺寸。借助生物显微镜，本文对微生物矿化碳酸钙沉积时刻、沉积过程进行了观察，通过胞内脲酶形成时间、脲酶活性等因素，对微生物矿化沉积碳酸钙速率进行调控。同时，本文采用离心技术，使具有高酶活的菌株湿细胞在极高浓度底物溶液中尚存有酶活性，降低了修复液中水分引入量，将碳酸钙在修复液中的矿化单位体积产率由8％提高至61．8％。　　 在碳酸盐矿化菌修复水泥基材料表面缺陷方面，在上述研究基础上，本文对比选用了浸泡、喷涂、涂刷固载等多种覆膜修复工艺，优化了各工艺操作流程和修复液配比，3d内可在水泥基材料表面矿化沉积出致密的方解石层，50μm～300μm厚度不等，与基材表层胶结紧密，水泥石试件毛细吸水系数明显降低，降低幅度达75％～90％，防护效果显著。其中涂刷固载工艺，将微生物和营养物质固载涂刷于水泥基材料表面，使其附着生长，优化微环境，保护胞内酶活性，使得碳酸钙能在较长时间内在材料表面与有机质和残余载体交联缓慢结晶生长，其与基材结合紧密，修复效果最为显著，在既有水泥基材料表面原位矿化沉积形成碳酸钙修复防护层成为可能，切实增强了MCP技术的工艺可操作性。　　 在碳酸盐矿化菌修复水泥基材料裂缝方面，针对不同尺寸裂缝修复要求，采用涂抹、灌浆、注射等工艺完成裂缝修复。对于宽度0．1mm以下的微裂缝，其修复主要目的是为了抵抗外界水和侵蚀性介质的表层渗入，以沸石粉或硅灰为基材拌合菌株，通过涂抹的方式完成修复；而对于宽度O．1mm以上，1mm以下，且具有一定深度的裂缝已经不能作为表面缺陷进行修复处理，采用聚氨酯固载细胞，给微生物在裂缝中的矿化提供微环境保护，以碳酸钙颗粒增强聚氨酯材料填充于裂缝中，达到修复的目的；对于宽度1mm以上的裂缝，考虑强度恢复和耐久稳定性的要求，以砂、粉煤灰、硅灰以及沸石粉作为修复基材，与菌株拌合制备修复浆体后采用注入的方式进行修复，以后续修复液的滴加补给取代浸泡工艺，修复后各基材在裂缝中通过方解石紧密胶结，形成致密连续的基材体，抗压强度恢复至87％以上，修复效果显著，可满足既有混凝十裂缝原位修复要求。