智能混凝土翻译

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1、摘要一些研究人员和一些工业混凝土生产商已经仔细研究了自修复混凝土与微裂缝发生的修复。 这种裂缝是一个众所周知的问题，它可能导致钢筋的腐蚀，从而导致整个混凝土结构的可能 失效。需要尽快修复这些裂缝导致每立方米混凝土的维护成本约为130 欧元（直接成本）。 最近的科学研究表明，使用微生物抱子作为活性剂的微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP）可以 作为实际修复方法的替代方案。然而，细菌孢子的产生仍然需要相当大的成本。根据一些具 体的生产商，他们愿意为每立方米混凝土支付约15 至20欧元的生物基自愈产品。然而，孢 子生产和封装的实际成本代表了高出几个数量级的总成本。本文分析了混凝土中生物自愈合 的成本，并评

2、估了它面临的工业挑战。迫切需要以低得多的成本开发生物添加剂的生产，以 使生物自愈工业适用。分析了无菌生产和获得尿素分解孢子的非无菌过程，并在本文中给出 了成本计算方法。混凝土是一种复合建筑材料，主要由骨料，水泥和水制成。 它是世界上使用最广泛的建筑 材料，在全球范围内使用，是钢，木材，塑料和铝的两倍。由于其广泛的用途，混凝土代表 了大型商业的基础。 仅在美国，混凝土工业每年的销售额为233亿欧元，仅考虑每年销售 的预拌混凝土的价值.2尽管其抗压强度高，但拉伸强度低，因此必须 大多数应用程序添加 材料（通常是钢），以使结构保持其正确的形式和性能。钢筋混凝土是通过添加钢筋，钢纤 维或玻璃纤维或塑料

3、纤维来承载拉伸载荷而获得的。 最广泛使用的钢筋是钢筋，在混凝土 结构内部形成网。由于混凝土内在的不均匀性，裂缝几乎是不可避免的。混凝土结构中的裂 缝是众所周知的研究现象。裂缝可能有许多原因，如干燥收缩，热应力，风化，外部施加的 负荷或钢筋的腐蚀.3当裂缝打开时，氯离子（Cl-）或二氧化碳（CO2）等侵蚀性化合物可以 穿透混凝土保护层，进入加固并导致腐蚀。随着时间的推移，生锈过程导致拉伸强度的损失， 这可能导致结构中的不可修复的损坏。因此，填充这些裂缝非常重要，避免增加渗透性，从 而保护增强件。此外，一方面，混凝土结构中的裂缝可能导致结构过早失效，另一方面，可 持续性是现代世界的主要问题之一，

4、4 这种裂缝的修复也变得越来越重要从环境的角度来看。 到目前为止，应用一些化合物填充裂缝，如环氧树脂，或防止这些裂缝的形成，如塑料聚合 物涂在混凝土表面（分别修复和固化化合物），是常见的方法改善和/或延长混凝土结构的寿 命。然而，对于这两个过程，需要人为干预，导致劳动力工作的成本增加。隧道元件中的裂 缝注入成本估计为每立方米混凝土 130欧元（COWI,个人通信）。此外，由于其位置和/或 环境条件，有时不可能到达受损区域进行修理。难以进入的结构的例子是地下建筑，水隧道 和放射性废物储存罐等。由于这些事实，已经研究了裂缝混凝土的自愈合多年。事实上，混 凝土总有一些自我修复能力。未水化的水泥颗粒的

5、水合作用导致小裂缝的填充。然而，这种 自体愈合仅限于小裂缝（200 M m）并且需要水的存在5自愈概念非常有趣。它与植物或动 物切割较小时发生的现象相当。后者可以通过这些生物体中预先存在的天然生物修复机制自 我修复。因此，这个研究领域的一个有趣的问题是“我们能否在具体方面实现类似的过程？” 一些研究指出了肯定的答案。然而，成本仍然太高而无法在工业应用中考虑。由于其广谱性， 我们的目的不是提供关于混凝土中生物自愈过程的全部信息。本文描述了将有效的生物自愈 产品带入混凝土市场的实际挑战，保证该产品可以达到法规要求并且具有成本效益生物自愈合混凝土自 1970年以来，自愈性现象一直在研究中，首先是在聚

6、合物裂缝中研究这种现象。然而， 仅在 2001 年以及 White 等人的文章中，7 自愈的主题引起了一些研究者的注意。已经提供 了自愈和自修复的三个主要定义.4,8-9 然而，中心问题是，对于具体被认为是自愈的具体， 混凝土不应该需要任何治疗来改善自愈的作用代理商。一些作者将微生物诱导的碳酸盐沉淀 作为混凝土结构处理（自愈/修复）的可能方法.5,10-16尿素（CO （NH2） 2）的微生物水解 可用作在退化的石灰石上放置碳酸钙（CaCO3）的恢复和保护层的方法.17尿素的水解由脲 酶催化，在此过程中产生碳酸盐（CO32-）和铵（NH4 +）离子（方程式1）到4）。对于每摩 尔尿素，形成2

7、摩尔铵离子和 1 摩尔碳酸根离子（尿素水解的全局反应 - 方程式 5）。 CO（NH2） 2 + H2O NH2COOH + NH3 （1） NH2COOH + H2O NH3 + H2CO3 （2） 2NH3 + 2H2O2NH4 + + 2OH- (3) 2OH- + H2CO3CO32- + 2H2O (4) CO (NH2) 2 + 2H2O2NH4 + +CO32- （5）当存在钙离子时，碳酸钙沉淀过程变得完全，并且碳酸根离子和钙离子之间的化 学反应导致白色沉淀物的沉积（等式6）。CO32- + Ca2 + w-CaCO3 （6）还描述了为了适当 沉积碳酸钙，必须具有所谓的晶核形成位

8、点.18由于细菌细胞壁上的负电荷，钙离子可以绑 定它。这一事实，与碳酸根离子的释放有关2015年1月丨卷21我编号1 33尿素的水解导致细胞壁上形成碳酸钙晶体（图 1）。因此，与该化合物的天然沉淀相比，使 用细菌菌株生物沉积碳酸钙可以作为提供更大和更快的碳酸钙沉淀的方法。几种微生物具有 快速水解尿素的能力，每小时每克细胞干重消耗16.5 克尿素.14尽管几种微生物具有良好的 尿素分解活性，但发现它们与球形芽孢杆菌密切相关。显示出更大的水解尿素的能力，导致 更多的碳酸钙沉淀.19-20 关于尿素分解活性和碳酸钙沉淀的两个最佳表现者是球形芽孢杆 菌 LMG22557 和 Sporosarcina

9、pasteurii DSM33 （以前称为 Bacillus pasteurii DSM33） .10,21 它 们每小时每克细胞干重可以产生高达0.4克的CaCO3.22。然而，为了将这种自我修复剂推向 市场，应该考虑一些实际方面。当与基础研究相关时，使用具有高特异性尿素分解活性的纯 细菌培养物具有相当大的重要性，但是，通常，这些无菌纯培养物代表了工业应用的高成本。 对于这种特定情况，尽管具有高的尿素分解活性和良好的碳酸钙沉淀，但生产成本非常重要。因此，迫切需要以低得多的成本开发生物添加剂的生产。一种可能的方法是生产混合和非无甚至更好。应用细菌诱导的碳酸钙沉淀以实现混凝土中自愈合的主要问题之

10、一是所用产品的总成本 融入混凝土。由于混凝土本身相对便宜，比利时市场每立方米混凝土的成本约为60 至 75 欧元，任何以每立方米混凝土价格超过15至20欧元的价格添加到混凝土中的产品都被认为 太贵了在正常市场（Coeck NV，比利时，个人通信）中考虑。此外，在工业规模上，除了价 格之外，还需要查看为此类产品提供的保修。根据欧洲标准EN206-1： 2000,23,任何适用的 混凝土结构应满足至少50年的使用寿命。但是，承包商对混凝土结构缺陷负责的保修期通 常为10年，不包括裂缝。如今，通过使用一些修复剂（Coeck NV，比利时，个人通信）的 维护来实现混凝土结构的正确性质。如果生物基产品可

11、以为混凝土提供更长寿命的保修，则 可以克服成本并且可以建立新的市场。如果基于生物的方法也是环保的，后者将得到加强， 从而赢得生态调整市场的支持。实际上，混凝土的生物基添加剂，包括在浇注过程之前在混 凝土中混合的胶囊化孢子，导致每立方米混凝土的价格为5760欧元，这使得这种方法不太 适用（参见专栏 1）。这个价格主要是由于需要无菌条件来生产微生物孢子，这是由于使用 昂贵的生长培养基和必要的劳动力。而且，微生物孢子的包封过程是昂贵的。取决于所使用 的胶囊，还取决于包封过程的产率，甚至是所需胶囊的百分比，获得胶囊化孢子的这一步骤 可以花费每公斤孢子30至50欧元，这对于总价格的贡献很大。最终的产品。

12、对于某些应用， 当出现裂缝时迫切需要愈合/修复结构时，这种产品的成本是可以接受的。例如，在地下博 物馆或图书馆中，裂缝的快速修复/修复对于维持保存内部高价值物体的正确条件至关重要。 在这种情况下，这种产品的价格是次要的，因为它提供了保证，裂缝将在几天内修复，从外 面克里特将是选择的治疗。在生物基技术较小裂缝的情况下使用环氧树脂Denys NV,比利 时，个人通信）。为了实现每立方米混凝土约15 至20欧元的价格，必须使用在较便宜（非 无菌）环境条件下生产的培养物。此外,必须优化该方法以获得可存活的孢子,其在长的储 存时间内维持尿素分解活性以进行尿素的水解并引起大量的碳酸钙沉淀。还需要找到廉价的

13、 包封方法,为孢子提供必要的保护,维持或稍微改变混凝土的特性。总之,从经济角度来看, 对于在混凝土结构中进行自我修复和/或自修复的生物基产品,每立方米应用混凝土的价格 约为15至20欧元是合理的。即使在这样的成本水平下,对于要添加到混凝土中的这类产品, 市场也要求保证在一定时间内有效,这取决于要修复的裂缝类型。在由于结构老化导致的自 生或干燥收缩达数十年的早期裂缝的情况下,这段时间可以从数周到数月不等。 非无菌的尿素分解孢子产生如前所述,使用无菌纯培养物的主要问题是这种生物材料的高生产成本。因此, 一个可能的解决方案是 开发一种成本较低的方法来获得尿素分解孢子细菌。必须有可能从土壤,废水, 活

14、性污泥或任何富含活性微生物活动的物质中选择尿素分解孢子形成细菌群落。 几乎在任何地方都可以找到溶解性细菌。在正确的刺激下,可以选择孢子形成菌 株以获得能够比纯培养物表现得更好或甚至更好的尿素分解非无菌混合培养物。 考虑到这种非无菌生产是可能的,并且主要刺激是存在大量尿素和热冲击以诱导 时间比应用孢子形成更便宜,可以估计产生非无菌尿素水解混合物的一些成本文 化。可以考虑将活性污泥作为原料和含有易降解碳源（例如蔗糖）和尿素（大量） 的饲料。考虑到常规的活性污泥，干燥后可以很容易地获得约12kg / m3的干燥 有机物质。该值可以假设为这种非无菌过程的产量（见专栏 2）。然后直接比较 球形芽孢杆菌孢

15、子的无菌生产和这种尿素分解孢子的混合培养物的产生（表 1）， 可以很容易地得出结论，应该使用混合培养物进行进一步的研究。此外，这项新 技术的开发可能有助于降低生产成本。结论 ：为了在混凝土结构的实际应用中使用 MICP 技术，应考虑以下三点：1 尽管估计 非无菌生产过程的成本较低，但活性尿素分解细菌孢子对于实际应用仍然过于昂 贵，并且应该努力降低每公斤抱子干重2欧元以下的价格。II。应通过廉价的方 法实现孢子或营养细胞的包封过程，使每公斤孢子的总体额外成本从目前的 40 欧元降至最高15欧元。III。目前有两种市场可以应用“浸没式” MICP技术， 即支柱桥和隧道。 实际上，对于这两种环境，提

16、供依赖于充足供水的适当微生 物活性的合适条件方框 1：生产微生物基添加剂的估计总成本，能够在最佳（淹没）条件下实现 混凝土中微裂缝的自愈合。基于房价计算的估算1. 生产1千克有效的球形芽抱杆菌抱子的成本：要计算生产1千克球形芽抱杆菌 抱子的成本，应考虑：用于抱子培养的MBS抱子形成培养基22组装和维持无菌过程所需的劳动力 灭菌和能量需求每批的产量（每L产生的细胞干重克数）考虑以下因素，可以计算：生产规模为1立方米劳动力成本为50欧元/小时3小时所需劳动力工作工业 标准蒸汽灭菌工艺电费为0,09欧元/千瓦时最高产量为3.5千克CDW /立方米MBS中等成本1370/ m3人工成本150/ m3灭菌成本5/ m3总成本435/ kg2. 生产 1 公斤自愈剂的成本：要计算生产 1 公斤自愈剂的成本，应考虑：包封过程添加所需的营养素每立方米混凝土所需的自愈剂量考虑以下因素，可以计算:封装成本为40/ kg胶囊不会增加最终产品