《Journal of Building Engineering》：Experimental Investigation of Multi-Strain Bacterial Concrete: Self-Healing Efficiency, Strength, and Sorptivity under Varied Curing Conditions
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微生物自修复混凝土研究通过引入E. coli、B. subtilis和S. toxytricini三种菌种，在M25混凝土中添加3%和6%不同剂量细菌及5%钙 lactate营养源，对比分析不同养护条件下裂纹闭合率（89%-97%）、抗压强度（提升79%）和吸水率（最低0.0007 mm/s2）的优化效果，验证了S. toxytricini在6%剂量下通过CaCO3沉淀实现高效自修复的可行性。
兰·比尔·辛格（Ran Bir Singh）| 阿希什·库马尔（Ashish Kumar）| 迪维亚·夏尔玛（Divya Sharma）| 苏里亚·坎特·萨德奥（Surya Kant Sahdeo）
印度哈里亚纳中央大学土木工程系，马亨德加尔（Mahendergarh），邮编123031
摘要
尽管混凝土是现代基础设施的基石，但由于其脆性，仍容易开裂。近年来，研究人员试图通过研究微生物解决方案来减少这一问题。本研究探讨了一种将细菌菌株引入混凝土基质的方法，这些细菌在水分渗透到基质之前处于休眠状态。当细菌被激活后，会分解乳酸钙并形成碳酸钙（CaCO?），从而封闭裂缝，使材料更加坚固。在本研究中，将三种细菌——大肠杆菌（Escherichia coli）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和链霉菌（Streptomyces toxytricini）加入M25级混凝土中。乳酸钙（浓度为5%）被用作恒定的营养来源，并测试了3%和6%（按水泥重量计）的不同剂量。此外，还遵循了标准化的混合、浇筑和养护程序。该研究旨在确定不同养护条件下的自修复效果、抗压强度和吸水性。结果表明，28天后裂缝修复率显著提高，范围约为89%至97%，具体取决于细菌种类和养护条件。含有6%链霉菌的混凝土的抗压强度最高，达到了40 MPa，比对照组提高了79%。最低的吸水性值为0.0007 mm/s2·h。研究结果表明，添加细菌可以修复裂缝、提高抗压强度并显著改善吸水性，从而显示出细菌混凝土作为可持续建筑材料的潜力。
引言
混凝土因其多功能性、成本效益和高抗压强度而成为现代基础设施的支柱。然而，它非常脆，抗拉强度低，容易开裂。即使是微裂缝也会成为水分、氯化物和其他有害物质的通道，加速钢筋腐蚀，从而缩短使用寿命[1]。传统的修复技术如环氧树脂注射、灌浆或密封在短期内有效，但成本高昂且劳动密集，效果通常是暂时的[2, 3]。因此，人们开始研究能够自主修复裂缝并恢复机械完整性的自修复材料[4, 5]。自修复混凝土可分为自发性或自主性方法[6, 7]。自主性技术通过外部引入的修复剂（如微生物）来修复较大裂缝[8, 9]。基于碳酸钙沉淀的微生物自修复机制能够封闭混凝土裂缝并提高耐久性[10, 11]。细菌自修复混凝土主要使用能够在高碱性环境中生存的枯草芽孢杆菌进行开发[12, 13]。当裂缝形成并有水分侵入时，休眠的细菌会变得活跃并沉淀碳酸钙（CaCO?），从而封闭裂缝并密实水泥浆与骨料之间的界面过渡区，从而增强强度[14, 15, 16]。据报道，这种混凝土的裂缝闭合率可达90%，抗压强度比对照组提高25-50%[17, 18, 19]。细菌自修复的效果取决于多种因素，包括细菌菌株、营养来源、剂量、封装方法和养护条件[20, 21]。最近的研究转向非尿素分解途径，以避免释放氨气，同时保持有效的裂缝修复效果[22, 23, 24, 25]。研究表明，如果将大肠杆菌封装在保护性载体中，它可以耐受碱性环境；而链霉菌由于其菌丝生长，有助于多方向裂缝填充，并增强晶体与水泥浆的结合[29, 30]。除了常用的枯草芽孢杆菌外，大肠杆菌和丝状链霉菌（Streptomyces toxytricini）因其独特的形态和增强裂缝填充及结合的潜力而受到关注[26, 27, 28, 29, 30]。链霉菌因其独特的形态、代谢多样性以及形成更密集和互锁的碳酸钙沉淀物的潜力而迅速受到关注[26, 27, 28]。然而，关于多种细菌在受控养护条件下的比较研究仍然不足，这导致对其相对修复效率存在不确定性。乳酸钙常被用作营养来源，因为它既是钙的来源，也是支持细菌代谢的营养物质[31]。细菌和营养物质的剂量需要优化：剂量过低可能导致修复效果不佳，而过量则可能形成空洞或抑制水泥的水化[32, 33]。最近的研究使用了轻质骨料、硅胶、微胶囊和氧化铁纳米颗粒等封装方法，以保护细菌从混合阶段到裂缝形成后的释放阶段[34]。这些封装系统提高了细菌的存活率，在潮湿养护条件下裂缝密封效率超过95%[35]。还研究了空气养护、喷水养护和循环湿润-干燥等替代养护方法，以模拟实际环境[36]。研究发现，饱和养护在较长时间内比其他方法具有更快的修复效果[37]。作者指出，枯草芽孢杆菌可减少水分吸收、氯化物渗透和吸水性约35-50%，同时抗压强度从24 MPa提高到31 MPa[38]。还有研究使用巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium）、枯草芽孢杆菌和铜绿假单胞菌（Pseudomonas aeruginosa）进行了实验，发现其抗压强度提高了19-20%[40]。研究表明，细菌活动改善了内部孔结构并减少了微裂缝的连通性，从而增强了强度。上述强度和吸水性的改善归因于细菌活动产生的碳酸钙沉淀，使混凝土基质更加密实。此外，工业或农业废弃物（如乳酸发酵产生的乳酸钙）可以用作营养来源[41]。关于混凝土在硫酸盐侵蚀、氯化物侵入和冻融循环等恶劣环境中的长期耐久性的研究有限[42, 43]。Nezafat Tabalvandani等人[44]使用从农业土壤中分离出的地衣状芽孢杆菌（Bacillus licheniformis）并在轻质膨胀粘土骨料中固定它，发现最佳细菌浓度为10?个细胞/毫升，使抗压强度提高了约21%，抗拉强度提高了32%，同时由于碳酸钙沉淀使混凝土微观结构更加密实，水分渗透率和氯化物离子渗透率分别降低了约45%和55%[44]。还有研究使用固定在轻质膨胀粘土骨料中的枯草芽孢杆菌、球形芽孢杆菌（Bacillus sphaericus）和巨大芽孢杆菌（Bacillus megaterium），发现224天后裂缝修复效率高达71%，其中巨大芽孢杆菌的修复效果最佳，同时由于碳酸钙沉淀还提高了冻融耐久性[45]。另一项研究报道，在有利的水分条件下，裂缝封闭率可达0.20-0.30毫米，裂缝封闭效率通常超过70-90%[46]。综述指出，抗压强度提高了10-40%，而由于碳酸钙沉淀，水分吸收和吸水性分别降低了约15-50%，从而密实了孔结构。现场应用进一步表明，与传统混凝土相比，裂缝宽度减少了60%，使用寿命延长了15-20年[47]。Jonkers等人[47]报告称，含有休眠枯草芽孢杆菌的自修复混凝土能够在潮湿条件下自主封闭0.15-0.30毫米的裂缝。经过几周的潮湿养护后，裂缝封闭效率超过80-90%，同时水分渗透率显著降低。研究确定了水激活的细菌代谢导致碳酸钙沉淀和长期耐久性提高的基本机制[48]。Van Tittelboom和De Belie[48]综述了细菌和其他自主自修复系统，发现基于细菌的混凝土在裂缝小于0.3毫米的情况下，裂缝封闭率始终达到70-100%，这取决于水分的可用性。综述强调，细菌修复使抗压强度提高了约10-30%，并强调了养护环境和修复时间的重要性[49]。Wong等人[49]对微生物自修复混凝土进行了批判性回顾，发现基于细菌的系统在有利水分条件下可以修复0.3-0.97毫米的裂缝，并使裂缝封闭率达到70-100%。综述指出，抗压强度提高了10-40%，而由于碳酸钙沉淀，水分吸收和吸水性分别降低了约15-50%，从而密实了孔结构。
需要注意的是，上述研究都是在有限的养护条件下进行的，而本研究在空气养护、喷水养护和饱和养护条件下评估了多种细菌菌株的自修复效率和初级及次级吸水性。基于这些局限性，本研究调查了含有链霉菌（Streptomyces toxytricini）、枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）和大肠杆菌（Escherichia coli）的混凝土的吸水性、抗压强度和自修复效率。这些菌株的添加剂量为水泥重量的3%和6%，并始终添加了5%的乳酸钙作为营养来源。根据先前的研究，乳酸钙含量在2-5%范围内足以促进细菌代谢和碳酸钙沉淀，而不会对水泥水化或力学性能产生不利影响[31]。样品在各种养护条件下进行了分析，包括饱和水养护、喷水养护和室温下的空气养护，以研究环境暴露对细菌混凝土修复动力学和耐久性的影响。图1提供了本研究的图形摘要。
部分内容片段
水泥
本研究使用了符合IS 4031:2021标准的普通波特兰水泥（OPC，43级）[32]。其比重（3.13）、密实度（3 mm）、标准稠度（31%）和凝结时间（初凝：60分钟；终凝：255分钟）均符合规范要求，确保了结构应用的可靠性。
骨料
从附近市场购买了10毫米和20毫米的级配良好的骨料。筛分分析确认其符合IS 2386:2021标准[30]，颗粒大小分布也在规定范围内
自修复效率
测量自修复混凝土的修复机制涉及评估圆柱体自动修复裂缝的能力。样品被有意制造出裂缝，并暴露在三种不同条件下以启动自修复机制并进行进一步测量。自修复效率测量持续到28天。使用数字显微镜测量圆柱体样品中的裂缝宽度。
枯草芽孢杆菌对混凝土自修复的影响
在不同养护条件下，含有枯草芽孢杆菌（BS）的混凝土中的裂缝宽度随时间变化而变化。在饱和条件下，裂缝宽度显著减小。在6%的细菌剂量下，不同养护条件下的裂缝宽度减小模式相似。
图8
结论
本研究详细探讨了三种不同细菌——枯草芽孢杆菌（Bacillus subtilis）、大肠杆菌（Escherichia coli）和链霉菌（Streptomyces toxytricini）在可变养护条件下对M25级混凝土的自修复能力、抗压强度和吸水性的影响。研究中使用的细菌浓度为水泥重量的3%和6%，并始终添加了5%的乳酸钙作为营养来源。结果表明，混凝土
作者贡献声明
苏里亚·坎特·萨德奥（Surya Kant Sahdeo）：撰写——审阅与编辑、原始草稿撰写、概念构思。迪维亚·夏尔玛（Divya Sharma）：可视化、验证、资源管理、项目协调、正式分析、数据管理。阿希什·库马尔（Ashish Kumar）：验证、资源管理、项目协调、方法论。兰·辛格（Ran Singh）：可视化、验证、监督、资源管理、项目协调、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念构思
竞争利益声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢哈里亚纳中央大学的混凝土与生物技术实验室为实验工作提供了必要的设施。
