[论文解读] Screening of Fungi for Self-Healing of Concrete Cracks

Jing Luo, Xiaobo Chen+5 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 81被引用 1

一句话总结

本研究通过利用木霉菌（Trichoderma reesei）在碱性环境中沉淀方解石晶体的能力，探究其作为混凝土自修复剂的潜力，即使在氢氧化钙溶出导致的高pH（高达13.0）条件下亦能实现。XRD与SEM分析证实方解石在真菌菌丝上形成，表明其在混凝土结构裂缝修复方面具有潜力。

ABSTRACT

The goal of this study is to explore a new self-healing concept in which fungi are used as a self-healing agent to promote calcium mineral precipitation to fill the cracks in concrete. Although many species of fungi have been reported to be able to promote calcium mineralization, they have not yet been investigated in the application of self-healing concrete, thus an initial screening of different species of fungi has been conducted. The experimental results showed that, due to the leaching of Ca(OH)2 from concrete, the pH of the growth medium increased from its original value of 6.5 to 13.0. Despite the drastic pH increase, Trichoderma reesei (ATCC13631) spores germinated into hyphal mycelium and grew equally well with or without concrete. We employed material characterization techniques including X-ray diffraction (XRD) and scanning electron microscope (SEM), both of which confirmed that the crystals precipitated on the fungal hyphae were composed of calcite.

研究动机与目标

• 评估真菌作为生物自修复剂在促进钙矿物沉淀方面的潜力。
• 识别能够在典型混凝土孔隙溶液（pH≈13.0）的高碱性条件下存活并生长的真菌种类。
• 评估选定真菌在混凝土相关条件下于其菌丝上沉淀方解石晶体的能力。
• 通过XRD与SEM等材料表征技术验证矿物的形成。

提出的方法

• 对多种真菌种类在模拟混凝土孔隙水碱性条件下的生长及矿物沉淀能力进行了筛选。
• 将木霉菌（Trichoderma reesei，ATCC13631）暴露于含与不含混凝土的培养基中，以评估其在pH 13.0条件下的存活率与菌丝发育情况。
• 监测由于混凝土中Ca(OH)2溶出导致的培养基pH变化，pH值从6.5升高至13.0。
• 采用X射线衍射（XRD）分析确定真菌菌丝上沉淀矿物的晶体相。
• 采用扫描电子显微镜（SEM）观察真菌结构上矿物沉积物的形貌与分布。
• 比较在有无混凝土存在条件下真菌的生长与矿物沉淀情况，以评估环境对真菌活性的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 真菌是否能够在氢氧化钙溶出导致的高碱性环境（pH≈13.0）中存活并生长？
• RQ2 哪些真菌种类能够在如此极端的碱性条件下沉淀碳酸钙？
• RQ3 真菌菌丝是否可作为混凝土类似条件下方解石形成的有效成核位点？
• RQ4 在真菌存在下形成的沉淀物的矿物组成是什么？
• RQ5 真菌介导的方解石沉淀是否能有效促进混凝土裂缝的自修复？

主要发现

• 木霉菌（Trichoderma reesei，ATCC13631）即使在因混凝土中Ca(OH)2溶出导致pH升至13.0的培养基中，仍成功萌发并形成菌丝体。
• 该真菌在有无混凝土存在条件下均表现出相近的生长情况，表明其对碱性环境具有耐受性。
• X射线衍射（XRD）分析证实，真菌菌丝上沉淀的晶体成分为方解石（CaCO3）。
• 扫描电子显微镜（SEM）显示，明显的方解石晶体附着并沿真菌菌丝生长。
• XRD与SEM的结合提供了真菌介导的方解石在高pH混凝土相关条件下沉淀的直接证据。
• 结果表明，利用木霉菌（Trichoderma reesei）作为混凝土自修复剂，通过促进矿物沉淀以封闭裂缝，具有可行性。