对掺入耐辐射奇球菌的微生物砂浆的水化行为的见解

《Results in Engineering》：An insight into the hydration behaviour of microbial mortar incorporating Deinococcus radiodurans

　　

随着对可持续建筑材料需求的增长，微生物混凝土也引起了显著关注。尽管早期研究主要聚焦于力学和耐久性特性，但关于细菌浓度对水化行为影响及其与工程性能相关性的认识仍然有限。本研究通过研究非芽孢形成细菌——耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）对水泥砂浆的水化反应、抗压强度和耐久性的影响，弥补了这一空白。研究分析了抗压强度、吸水率、水渗透性以及X射线衍射（XRD）。实验结果表明，细菌的添加增强了抗压强度，降低了渗透性，并由于C-S-H（水化硅酸钙）、钙矾石和方解石形成的增强而加速了水化反应。细菌剂量为10? cells/mL时，在水化和抗压强度之间表现出极佳的平衡，而更高剂量则因早期过度形成方解石而限制了内部水化。本研究为微生物砂浆的水化行为提供了新的见解。

**论文解读：掺入耐辐射奇球菌的微生物砂浆水化行为研究**

**1. 研究背景、问题与目的**

混凝土结构在使用过程中易产生微裂缝，这些裂缝会逐渐发展成宏观裂缝，导致结构劣化，带来高风险和维护成本。为应对这一挑战，自修复混凝土概念应运而生，其中微生物自修复通过细菌诱导碳酸钙沉淀（MICP）来修复裂缝，具有可持续性和高效性。然而，现有研究主要集中于芽孢杆菌属等产芽孢细菌，其孢子在混凝土基质中活性会随龄期下降，且常需通过封装载体来保护，这反而可能引入气孔，降低强度。此外，细菌浓度对水泥水化过程的影响研究非常有限，而水化进程对水泥基材料的结构形成、强度发展和耐久性至关重要。因此，阐明不同细菌浓度对水化行为的影响，以及水化过程与力学、耐久性和自修复性能的关联，成为亟待解决的问题。为此，研究人员选用了一种非芽孢形成、耐极端环境的耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans），直接掺入水泥砂浆，研究其在不同浓度下对水化行为、抗压强度、耐久性和自修复能力的影响。

**2. 主要关键技术方法**

研究人员采用的主要关键技术方法包括：1）细菌培养与浓度调控：选用耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans，MTCC 4465，来源：印度昌迪加尔MTCC），通过营养肉汤培养，利用OD₆₀₀测定与经验公式换算得到细胞浓度，再通过系列稀释法精确配制出103、10?、10? cells/mL三种目标浓度。2）微生物砂浆制备与性能测试：制备水泥:砂=1:3、水灰比0.40的立方体砂浆试件（70.6 mm × 70.6 mm × 70.6 mm），在微生物砂浆中按80 g/L总液体量添加乳酸钙作为碳源，并在不同龄期（3、7、14、28天）进行抗压强度测试、吸水率测试、水渗透性测试（恒定水头25 mm，模拟低压条件）和裂缝自愈合测试。3）微观结构分析：采用X射线衍射（XRD，2θ范围5°–90°，步长0.02°/s）分析不同龄期水化产物的物相组成；采用扫描电子显微镜（SEM）观察28天龄期砂浆的微观形貌。

**3. 研究结果**

**3.1 抗压强度测试结果**
抗压强度测试表明，所有龄期（3、7、14、28天）下，细菌掺入均提高了砂浆强度。其中，细菌浓度为10? cells/mL的试件始终表现出最高的强度提升，28天时抗压强度较对照组提高45.5%。而10? cells/mL组虽也有提升，但提升幅度（28天为27.3%）低于10? cells/mL组，表明强度与浓度并非正比关系，存在最优浓度。

**3.2 吸水率测试结果**
吸水率测试显示，所有龄期下，微生物砂浆的吸水率均低于对照组，且随细菌浓度增加，吸水率降低幅度增大。28天时，10? cells/mL组吸水率降低29.7%，10? cells/mL组降低17.32%，103 cells/mL组降低9.58%。这说明细菌活动降低了孔隙率，改善了抗渗性。

**3.3 水渗透性测试结果**
水渗透性测试（恒定水头25 mm）表明，微生物砂浆的水渗透深度均低于对照组，且随细菌浓度增加，渗透深度降低幅度增大。28天时，10? cells/mL组渗透深度降低60%，10? cells/mL组降低37%，103 cells/mL组降低17%。表明细菌浓度与抗渗性改善呈正相关。

**3.4 裂缝自愈合测试结果**
裂缝自愈合试验（裂缝宽度0.1–1.5 mm）显示，对照组在28天浸泡后无明显愈合，而微生物砂浆表现出明显的愈合效果，且随细菌浓度增加，愈合程度提高。10? cells/mL组在28天内完全愈合裂缝，表面可见白色方解石沉积；10? cells/mL组愈合效果良好，但裂缝宽度较大时愈合较慢；103 cells/mL组仅部分填充。裂缝宽度影响愈合效率，窄裂缝愈合更快。

**3.5 X射线衍射测试结果**
XRD分析表明，微生物砂浆中水化产物（C-S-H、钙矾石、氢氧化钙）和碳化产物（方解石、球霰石）的衍射峰强度随龄期增加而增强，且高于对照组。10? cells/mL组在早期（3天）即出现明显水化产物和方解石，表明细菌活动加速了早期水化。未水化熟料相（C₃S、C₂S、C₃A）的峰强在微生物砂浆中下降更快，证实细菌加速了水化进程。球霰石（亚稳态碳酸钙）在早期出现，后期转化为方解石，表明细菌持续进行矿化作用。

**4. 讨论与结论**

**讨论总结：** 研究人员通过SEM观察发现，微生物砂浆在28天时形成了更致密的微观结构，细菌浓度为10? cells/mL时，基质中碳酸钙沉淀分布均匀，形成致密网络；而10? cells/mL时，表面孔隙被过度堵塞，阻碍了水向内部渗透，可能抑制了内部水化，导致强度提升不如10? cells/mL。103 cells/mL则因细菌数量少，沉淀不足。因此，10? cells/mL实现了水化反应与碳酸钙沉淀的最佳平衡，在力学性能、耐久性和自修复能力方面综合表现最优。研究指出，水化行为的改变可能源于活细菌代谢和死细菌细胞壁作为成核位点的共同作用，但本研究未区分两者贡献，需进一步研究。此外，本研究基于XRD定性分析，未进行定量相分析或水化热测量，这是局限性。

**研究结论翻译：** 本研究调查了耐辐射奇球菌（Deinococcus radiodurans）在不同浓度下对水泥砂浆水化行为、力学性能、耐久性和自修复特性的影响。结果清楚表明，细菌掺入从早期阶段就增强了水化过程。细菌的存在促进了碳化产物、C-S-H、钙矾石和碳酸钙相的形成，从而形成更致密、更精细的微观结构。因此，与对照砂浆相比，抗压强度显著提高，吸水率和渗透性降低。细菌浓度的影响显著，增加细菌细胞浓度会导致裂缝宽度愈合程度增加。在所研究的浓度中，10? cells/mL通过促进水化同时允许内部基体持续发展，提供了最有效的平衡。相比之下，较高浓度导致表面快速致密化，阻碍了水向砂浆基体内部的渗透，这可能也会影响水化过程。总体而言，研究结果表明，细菌掺入显著影响水化行为及由此产生的水泥砂浆微观结构发展。研究强调，细菌活动不仅加速了水化和碳化产物的形成，还改变了它们在基体中的分布，从而影响早期和后期性能。这些结果强调了控制细菌浓度以调节水化进程和微观结构演化的重要性。仔细选择的细菌剂量可以在不损害内部水化过程的情况下增强强度、耐久性和自修复性能，使其成为微生物胶凝材料系统设计中的一个关键参数。