将枯草芽孢杆菌作为碱激活渣（AAS）的自修复剂的应用

裂纹自愈合技术及力学性能优化研究。

　　
### 碱激发矿渣（AAS）复合材料中巴氏芽孢杆菌自修复机制研究解读

#### 研究背景与意义
碱激发矿渣（Alkali-activated Slag, AAS）作为普通硅酸盐水泥（OPC）的替代材料，因其低碳排放、高抗压强度和耐化学腐蚀性受到广泛关注。然而，AAS材料在硬化过程中易产生早期收缩开裂，其干燥收缩率可达OPC的4倍以上，主要归因于高碱度环境下复杂的 hydration 反应和微孔结构形成。传统解决方案如添加矿物掺合料或纤维虽能缓解问题，但可能牺牲材料整体性能或增加环境负担。因此，开发绿色、可持续的生物修复技术成为研究热点。

微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术因其在OPC中的成功应用备受关注。该技术通过引入特定菌株（如芽孢杆菌属），利用其代谢活动将尿素转化为碳酸钙，从而填充裂缝和孔隙。然而，已有研究表明，该技术对AAS材料的适用性尚未明确，尤其是在最佳菌种浓度、修复效率与材料性能的平衡方面存在空白。本研究以Bacillus subtilis为载体，系统考察了不同菌浓度对AAS力学性能、耐久性及裂缝修复的影响，为AAS工程化应用提供了理论依据。

#### 材料与方法
1. **原材料选择**
研究采用德国Weimar大学提供的矿渣原料，其化学组成符合英国标准BS 6699，钙硅比（Ms）为0.8，氧化钠（Na?O）掺量为8%。硅酸盐砂作为骨料，经筛分后确定其级配满足ECP 203/2007规范。碱性激发剂由硅酸钠（Na?SiO?）和氢氧化钠（NaOH）按比例配制，确保溶液pH值稳定在13.6左右。

2. **菌种培养与接种**
选择耐高碱的Bacillus subtilis菌株，通过分光光度计（OD???）测定其浓度。实验采用三组菌浓度：103、10?、10? cells/ml，分别标记为C3、C5、C7。为避免污染，所有工具均经120℃高压灭菌，菌液现用现配，并添加无菌钙 lactate（1 mol/L）作为碳源促进代谢活动。

3. **试件制备与测试方法**
- **AAS浆体配方**：矿渣与砂质量比为1:3，液固比（L/S）为0.38，碱激发剂总量保持恒定（82.81 kg/m3）。
- **力学性能测试**：立方体试件（5×5×5 cm）在7天和28天龄期进行抗压强度测试（ASTM C109），四棱柱试件（4×4×16 cm）进行抗折强度测试（ASTM C348）。
- **耐久性评估**：包括吸水率测试（ASTM C642）、孔隙率分析（AVPV）、快速氯离子渗透试验（RCPT）及微观结构表征（XRD、SEM-EDX）。
- **裂缝修复验证**：通过压缩试验预裂后，利用数字显微镜观察裂缝闭合情况，结合XRD和SEM分析验证碳酸钙沉积。

#### 关键研究发现
1. **菌浓度对力学性能的影响**
- **压缩强度**：C5组（10? cells/ml）在28天龄期达到最大提升率（49.7%），显著高于C3（15.9%）和C7（18.8%）。这与高浓度菌体导致孔隙堵塞、阻碍后期 hydration 反应有关。
- **抗折强度**：C5组在28天龄期提升达39.86%，表明其在弯曲荷载下表现出更优的延展性修复效果。
- **强度发展规律**：7天龄期强度提升幅度较低（C5组为17.72%），而28天龄期因持续碳酸盐沉积显著增强，说明微生物修复具有时间依赖性。

2. **耐久性改善机制**
- **孔隙结构优化**：C5组吸水率降低42.0%，孔隙率减少32.1%，XRD和SEM分析显示碳酸钙沉积填充了微裂纹和孔隙（图7、8）。EDX谱中钙/碳比例升高证实了这一过程。
- **抗氯离子渗透性**：RCPT测试中，C5组氯离子迁移量较对照组减少38%，但测试结果受高碱度环境下离子迁移率影响，需结合其他方法（如电化学阻抗谱）进一步验证。
- **裂缝闭合能力**：最大闭合裂缝宽度达350 μm，C5组在28天龄期修复效率最高（闭合率92%），而C7组因高浓度菌体聚集反而导致部分孔隙堵塞（图10、11）。

3. **微生物代谢与修复机理**
- ** urease催化作用**：Bacillus subtilis通过分解尿素产生NH??和CO?2?，与矿渣中的Ca2?、Mg2?结合生成CaCO?晶体，具体反应式为：
**NH?CONH? + 3H?O → 2NH?↑ + CO?↑ + 2H?**
碳酸钙沉淀不仅封闭裂缝，还形成致密层状结构，提升材料整体强度。
- **耐久性协同效应**：高pH环境下，OH?浓度升高增强了Cl?的吸附能力，但碳酸钙沉积有效减少了Cl?迁移路径，降低RCPT测试中的电导率（图6）。

#### 技术创新与优化建议
1. **最佳菌浓度确定**
研究发现10? cells/ml为最优浓度：
- **强度平衡**：该浓度下微生物代谢产物（CaCO?）的沉积量与孔隙封闭效果达到最佳平衡，避免高浓度（10? cells/ml）导致的孔隙堵塞和强度衰减。
- **经济性**：10? cells/ml的菌种成本较103低约30%，而10? cells/ml因需额外碳源（如尿素）和更长培养时间，性价比不高。

2. **修复效率影响因素**
- **龄期效应**：7天龄期时修复效果较弱（C5组裂缝闭合率仅45%），28天龄期提升至92%，表明微生物代谢需足够时间完成碳酸盐沉积。
- **环境适应性**：矿渣中高镁含量（6.83%）促进了双层氢氧化物结构的形成，进一步细化孔隙（平均孔径25 nm），为碳酸钙沉积提供理想基底。

3. **工程应用潜力**
- **裂缝控制**：实验中最大初始裂缝宽度为350 μm，经28天水养护后完全闭合（图10）。实际工程中，需根据裂缝宽度选择菌浓度：
- 裂缝宽度＜100 μm：推荐使用C3组（103 cells/ml），兼顾修复效率与施工成本。
- 裂缝宽度100-350 μm：推荐C5组（10? cells/ml），修复率可达90%以上。
- **长期耐久性**：需进一步研究不同气候条件下（如冻融循环、盐雾腐蚀）的长期性能，以及菌体死亡后的二次反应。

#### 与现有研究的对比分析
1. **与传统修复技术的差异**
- **无化学添加剂**：避免引入额外膨胀性成分（如硫铝酸盐），减少后期开裂风险。
- **环境友好性**：菌体代谢产物为天然矿物（CaCO?），无有害副产物，符合绿色建材标准。

2. **与OPC系统的性能差异**
- **强度增幅对比**：在OPC中，10? cells/ml的Bacillus subtilis可使抗压强度提升22.5%（Nain et al., 2017），而本研究AAS系统提升率更高（49.7%），可能与矿渣中高CaO含量（36.87%）促进碳酸盐沉积有关。
- **耐久性提升机制**：AAS的C-A-S-H凝胶结构比OPC的C-S-H更致密，但更易产生收缩裂纹。微生物修复通过双重作用（直接填充裂缝+优化凝胶结构）实现性能提升。

3. **与其他微生物修复技术的比较**
| 菌种 | 修复效率（最大裂缝宽度闭合率） | 适用材料 | 优势 | 局限 |
|--------------------|------------------------------|------------------|--------------------|--------------------|
| Bacillus pseudofirmus | 80% (OPC) | OPC | 高耐久性 | 需微胶囊封装 |
| Sporosarcina pasteurii | 100 μm | AAS | 低温适应性 | 需持续供氧环境 |
| B. subtilis（本研究） | 350 μm（最大闭合宽度） | AAS | 低浓度高效 | 长期存活率待验证 |

#### 局限性与未来研究方向
1. **实验局限性**
- **测试周期短**：仅评估了28天龄期的性能，未考虑冻融循环、长期碳化等复杂工况。
- **微观表征手段有限**：SEM-EDX仅能局部分析，建议结合MIP（压汞法）定量孔隙分布。
- **菌种单一性**：未对比其他耐碱菌种（如Bacillus mucilaginosus）的修复效果。

2. **改进方向**
- **菌种改良**：筛选耐高碱（pH＞13）且代谢速率更快的菌株，如耐热芽孢杆菌变种。
- **复合修复体系**：结合纳米材料（如石墨烯）增强碳酸盐沉积的机械强度。
- **动态监测技术**：开发在线传感器实时监测裂缝闭合与微生物代谢状态。

#### 结论
本研究系统验证了Bacillus subtilis在AAS复合材料中的自修复效能，表明其浓度为10? cells/ml时综合性能最优。通过优化碱性激发剂配比（Ms=0.8，Na?O=8%）和养护条件（28天水养护），可使AAS材料的抗压强度提升至49.7%，吸水率降低42%，裂缝闭合宽度达350 μm。该成果为AAS在基础设施（如海岛桥梁、地下管廊）中的应用提供了可靠技术路径，同时为微生物修复技术在不同碱性环境下的普适性研究奠定了基础。