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[摘 要]在自然环境中的建筑物等构筑物，由于物理、化学、生物等因素，在自然环境中不断遭受风化剥蚀、化学腐蚀，这严重影响了构筑物的正常使用，并影响其耐久性。在传统的修复方法中，因其造成的负面效应太强或者技术方面达到的效果甚微而无法很好地对已有构筑物进行修复。近年来，出现了一种新技术，即细菌诱导碳酸钙矿化结晶技术（MICP），由于方法生态环保，修复后材料的性能优异而受到广大科研人员的关注，并先后对其进行了实验研究。本文就近年来这一技术在修复构筑物表面裂缝、改善构筑物渗漏情况等方面，阐述了MICP技术在修复构筑物方面的研究进展，并且提出了这一技术在应用中急需解决的问题以及未来的研究前景。
[关键词]生物矿化 生物修复 微生物诱导 裂缝 渗漏
中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0268-01
一、生物矿化机理
目前进行的MICP灌浆研究大都基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌，它是一种嗜碱菌，在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，该酶可以快速将尿素分解生成铵根离子（NH4+）和碳酸根离子（CO32-），反应方程式为：NH2-CO-NH2 +3H2O→2NH4+ + CO32-
由于该细菌表面带有负电荷，当孔隙中钙离子浓度达到一定值时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核[5]，从而在细菌周围会生成碳酸钙，反应方程式为：
Ca2+ + CO32- ≒CaCO3（aq）
当孔隙溶液中CaCO3（aq）的浓度超过了其溶解能力时，便会在孔隙中析出碳酸钙沉淀。
随着碳酸钙沉淀的不断积累、团聚而成为更大的颗粒，材料孔隙会大大减少，从而达到裂缝修复、防渗等效果[4]。
二、生物矿化试验研究
北京清华大学土木工程系的杨钻从土壤中筛选出来了脲酶高产菌株，并对其进行了菌株的诱变培养与培养基的优化，进行了高强微生物砂浆的制备，使用巴氏芽孢八叠球菌诱变株，采用多批次灌入菌液、固定液和胶凝液的方法对工业砂进行微生物灌浆加固，进行单轴抗压极限强度、劈裂抗拉强度和单压疲劳强度测试，得到高强微生物砂浆这种新材料相对传统水泥-石灰混合砂浆，具有材料孔径大、劈裂抗拉强度高、耐受循环荷载能力强的工作性能[4]。
东南大学的钱春香等人尝试利用微生物沉积碳酸钙，修复水泥基材料表面缺陷，他们通过涂抹和注入的方法，在水泥材料表面原位沉积处碳酸钙，使得材料的吸水率得到降低，提高了材料的抗压强度，使水泥材料表面的裂缝得到了较好的修复[2]。
同济大学的李沛豪等人也利用生物矿化技术，对混凝土表面裂缝的修复进行了研究，通过混凝土试件以及其裂缝的人工制备，采用芽孢八叠球菌，对三种不同深度裂缝混凝土立方试件进行微生物修复，通过XRD以及SEM分析沉积晶体的成分以及颗粒形貌，并测量混凝土试件裂缝修复后的抗压强度以及素混凝土梁弯曲跨中极限荷载，使混凝土裂缝得到一定的修复效果，且这一方法在浅层裂缝的修复方面得到的效果较好[3]。
三、生物矿化在修复构筑物方面的应用
清华大学的李萌、程晓辉等人与北京工商大学的张越等人利用微生物诱导碳酸钙沉积技术，尝试治理某地下室渗漏，并进行了现场修复实验，采取在裂缝墙体迎水面回填土层灌注巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养液的方法进行渗漏治理的试验，在灌浆4 个月后，墙体裂缝处形成一层碳酸钙膜，将裂缝表面覆盖，达到了很好的防渗效果[1]。
在此之后在清华大学西体育馆部分花岗岩石柱柱脚进行了微生物灌浆现场实验，以及布达拉宫马基康外墙空鼓加固及原位灌浆实验，均取得了初步成效[4]。
之后山东建筑大学的侯宏涛等人，在总结现有研究成果的基础上，同样对某地下室渗漏工程进行了微生物诱导碳酸钙沉枳技术的现场试验修复。该实验采用四种不同的灌浆方式—裂缝外部土壤灌浆、水平裂缝外表面做灌浆槽灌浆、竖向裂缝钻斜向灌注孔灌浆、以及裂缝表面涂刷浆液，对混凝土裂缝修复技术进行研究，得到了四种方法的优缺点，为后续研究以及应用提供了的宝贵经验[8]。
四、前景与展望
生物矿化这一技术虽然有着大量的研究与在试验上有着许多成功的应用[7]，但这一技术仍然存在许多问题，如酶活性随时间降低且价格昂贵、灌浆强度不均匀、易造成结构孔隙堵塞、灌浆效率低、实验采用的氯化钙溶液中的氯离子会对钢筋产生锈蚀等问题，这一技术在理论方法上仍不完善，将会成为今后研究的重点。
微生物诱导碳酸钙矿化加固与修复技术，以其创新的方法技术、生态环保、得到的修复体性能优良、耐久性及相容性好等特点，得到了科学家的广泛深入研究。本文探讨了近年来生物矿化在方法机理上的相关试验的探讨，以及修复构筑物表面裂缝、改善构筑物渗漏情况等方面的相关应用，总结了MICP技术在修复构筑物方面的研究进展，结果表明生物矿化技术的研究是多学科、多领域的研究领域，并且在土木、岩土等工程上有着广泛的应用前景，随着不同领域科学家的不断加入，这一技术将不断成熟，微生物诱导碳酸钙矿化这一技术将发展成为一种新型的节能环保、性能优良的构筑物的修复方法。
参考文献：
[1] 张 越，李萌，郭红仙.微生物诱导碳酸钙沉积技术治理某地下室渗漏的现场试验[J].工业建筑，2013，43（12）：140-142.
[2] 王瑞兴，钱春香.微生物沉积碳酸钙修复水泥基材料表面缺陷[J].硅酸盐学报，2008，36（4）：459-464.
[3] 李沛豪，屈文俊.细菌诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝[J].土木工程学报，2010，43（11）：65-69.
[4] 程晓辉.高强微生物砂浆机理与工作性能研究[D].北京：清华大学，2013.
[5] 成亮，钱春香.碳酸岩矿化菌诱导碳酸钙晶体形成机理研究[J].化学学报，2007，65（19）：2134-2138.
[6] 李沛豪，屈文俊.生物修复加固材料在土木工程中的应用研究进展[J].材料科学与工程学报，2008，，2（5）：811-814.
[7] 李沛豪，屈文俊.生物修复加固石质文物研究进展[J].材料导报，2008，22（2）：74-76.
[8] 侯宏涛.微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术[D].山东：山东建筑大学，2012.
[关键词]生物矿化 生物修复 微生物诱导 裂缝 渗漏
中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2016）15-0268-01
一、生物矿化机理
目前进行的MICP灌浆研究大都基于一种高产脲酶的巴氏芽孢杆菌，它是一种嗜碱菌，在新陈代谢过程中会产生一种脲酶，该酶可以快速将尿素分解生成铵根离子（NH4+）和碳酸根离子（CO32-），反应方程式为：NH2-CO-NH2 +3H2O→2NH4+ + CO32-
由于该细菌表面带有负电荷，当孔隙中钙离子浓度达到一定值时，钙离子会被细胞吸附，从而以细胞为晶核[5]，从而在细菌周围会生成碳酸钙，反应方程式为：
Ca2+ + CO32- ≒CaCO3（aq）
当孔隙溶液中CaCO3（aq）的浓度超过了其溶解能力时，便会在孔隙中析出碳酸钙沉淀。
随着碳酸钙沉淀的不断积累、团聚而成为更大的颗粒，材料孔隙会大大减少，从而达到裂缝修复、防渗等效果[4]。
二、生物矿化试验研究
北京清华大学土木工程系的杨钻从土壤中筛选出来了脲酶高产菌株，并对其进行了菌株的诱变培养与培养基的优化，进行了高强微生物砂浆的制备，使用巴氏芽孢八叠球菌诱变株，采用多批次灌入菌液、固定液和胶凝液的方法对工业砂进行微生物灌浆加固，进行单轴抗压极限强度、劈裂抗拉强度和单压疲劳强度测试，得到高强微生物砂浆这种新材料相对传统水泥-石灰混合砂浆，具有材料孔径大、劈裂抗拉强度高、耐受循环荷载能力强的工作性能[4]。
东南大学的钱春香等人尝试利用微生物沉积碳酸钙，修复水泥基材料表面缺陷，他们通过涂抹和注入的方法，在水泥材料表面原位沉积处碳酸钙，使得材料的吸水率得到降低，提高了材料的抗压强度，使水泥材料表面的裂缝得到了较好的修复[2]。
同济大学的李沛豪等人也利用生物矿化技术，对混凝土表面裂缝的修复进行了研究，通过混凝土试件以及其裂缝的人工制备，采用芽孢八叠球菌，对三种不同深度裂缝混凝土立方试件进行微生物修复，通过XRD以及SEM分析沉积晶体的成分以及颗粒形貌，并测量混凝土试件裂缝修复后的抗压强度以及素混凝土梁弯曲跨中极限荷载，使混凝土裂缝得到一定的修复效果，且这一方法在浅层裂缝的修复方面得到的效果较好[3]。
三、生物矿化在修复构筑物方面的应用
清华大学的李萌、程晓辉等人与北京工商大学的张越等人利用微生物诱导碳酸钙沉积技术，尝试治理某地下室渗漏，并进行了现场修复实验，采取在裂缝墙体迎水面回填土层灌注巴氏芽孢八叠球菌菌液和营养液的方法进行渗漏治理的试验，在灌浆4 个月后，墙体裂缝处形成一层碳酸钙膜，将裂缝表面覆盖，达到了很好的防渗效果[1]。
在此之后在清华大学西体育馆部分花岗岩石柱柱脚进行了微生物灌浆现场实验，以及布达拉宫马基康外墙空鼓加固及原位灌浆实验，均取得了初步成效[4]。
之后山东建筑大学的侯宏涛等人，在总结现有研究成果的基础上，同样对某地下室渗漏工程进行了微生物诱导碳酸钙沉枳技术的现场试验修复。该实验采用四种不同的灌浆方式—裂缝外部土壤灌浆、水平裂缝外表面做灌浆槽灌浆、竖向裂缝钻斜向灌注孔灌浆、以及裂缝表面涂刷浆液，对混凝土裂缝修复技术进行研究，得到了四种方法的优缺点，为后续研究以及应用提供了的宝贵经验[8]。
四、前景与展望
生物矿化这一技术虽然有着大量的研究与在试验上有着许多成功的应用[7]，但这一技术仍然存在许多问题，如酶活性随时间降低且价格昂贵、灌浆强度不均匀、易造成结构孔隙堵塞、灌浆效率低、实验采用的氯化钙溶液中的氯离子会对钢筋产生锈蚀等问题，这一技术在理论方法上仍不完善，将会成为今后研究的重点。
微生物诱导碳酸钙矿化加固与修复技术，以其创新的方法技术、生态环保、得到的修复体性能优良、耐久性及相容性好等特点，得到了科学家的广泛深入研究。本文探讨了近年来生物矿化在方法机理上的相关试验的探讨，以及修复构筑物表面裂缝、改善构筑物渗漏情况等方面的相关应用，总结了MICP技术在修复构筑物方面的研究进展，结果表明生物矿化技术的研究是多学科、多领域的研究领域，并且在土木、岩土等工程上有着广泛的应用前景，随着不同领域科学家的不断加入，这一技术将不断成熟，微生物诱导碳酸钙矿化这一技术将发展成为一种新型的节能环保、性能优良的构筑物的修复方法。
参考文献：
[1] 张 越，李萌，郭红仙.微生物诱导碳酸钙沉积技术治理某地下室渗漏的现场试验[J].工业建筑，2013，43（12）：140-142.
[2] 王瑞兴，钱春香.微生物沉积碳酸钙修复水泥基材料表面缺陷[J].硅酸盐学报，2008，36（4）：459-464.
[3] 李沛豪，屈文俊.细菌诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝[J].土木工程学报，2010，43（11）：65-69.
[4] 程晓辉.高强微生物砂浆机理与工作性能研究[D].北京：清华大学，2013.
[5] 成亮，钱春香.碳酸岩矿化菌诱导碳酸钙晶体形成机理研究[J].化学学报，2007，65（19）：2134-2138.
[6] 李沛豪，屈文俊.生物修复加固材料在土木工程中的应用研究进展[J].材料科学与工程学报，2008，，2（5）：811-814.
[7] 李沛豪，屈文俊.生物修复加固石质文物研究进展[J].材料导报，2008，22（2）：74-76.
[8] 侯宏涛.微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝技术[D].山东：山东建筑大学，2012.