枯草桿菌對風化水泥砂漿之自我修復

壹、前言

一、研究動機

建築工程中，裂縫是不可避免的現象，它的出現會導致建屋產生安全隱患。在本校的實習工廠，因保存環境不佳、風化作用及接觸到空氣中的濕氣水分等，故比重與標準值頗有差異。此研究將一些摻料加入水泥中，改善其施工特性與硬固後之強度，細菌對水泥砂漿之自我修復，讓風化水泥砂漿不致成為廢棄物。 

二、研究目的

本研究以一般常見之水膠比進行配比設計，在拌合水中加入細菌與否，進行強度及吸水率等觀察，從試驗結果中了解以細菌（複合菌叢）的取代率對水泥砂漿各項性質之影響。藉由細菌自我修復之特性改善水泥砂漿產生裂縫的缺點，其原理是細菌的孢子接觸空氣與水產生反應後，沉澱碳酸鈣使裂縫被修補。

（一）蒐集水灰比對混凝土影響、自癒混凝土、混凝土裂缝自我修復之研究。

（二）進行細菌對水泥砂漿之抗壓強度試驗。

（三）進行細菌對水泥砂漿之流度試驗。

（四）計算細菌對水泥砂漿之吸水率結果。

（五）進行細菌對水泥砂漿之明彩度觀察。

（六）依據流度、抗壓強度、吸水率試驗與色票觀察結果，提出結論與建議。

貳、文獻探討

一、有關水灰比對混凝土影響之研究

工程師職稱平臺（2018）「水灰比對混凝土的影響」之研究，提出：「水灰比是混凝土配比的一個重要參數，研究水灰比過大和過小對混凝土性能產生的影響是有意義的。」

工作性就是水泥拌合水之後，施工時的難易度，其中的主要性質包括流動性、黏聚性和穩定性。水泥就跟成長中的小寶寶相似，照顧時需要水、時間、環境佳與最重要的溫度。「增加用水量，會使混凝土產生分層、泌水現象，降低混凝土的強度，並且硬化後的混凝土會產生較大的孔隙。」（廣東鴻科建築管理，2017）。水量過多過少，皆會直接影響工作的難易程度，同時也會產生孔隙。

二、有關生物基材自癒混凝土之研究

陳貽瑱（2016）研究指出：「碳酸鈣結晶（MICP）作用能使混凝土強度增加、滲透性降低，填補混凝土內部微小孔隙以及受外力所產生的裂縫。」

抗壓強度，意指外力施壓力時的最大強度。抗壓強度齡期分7天、14天、28天。其中28天以後應力曲線開始進入了平緩期，且28天的時候基本強度也達到近100%，因此在業界皆以28天作為強度試驗的基準。

三、有關混凝土裂缝自我修復之研究

生物資源保存研究中心（2020）研究指出：「當出現裂紋時，水進入混凝土中，會使休眠的微生物甦醒、生長、消耗營養物，並促進CaCO3沉澱以修復裂縫。」

當水分和氧氣經由裂縫滲入建屋中，會腐蝕鋼筋，造成嚴重的結構受損，產生安全等相關問題。但又無法完全避免龜裂現象，因此國外學者研究出以細菌自我修復混凝土。傳統混凝土理論認為有機物的含量越少越好，但Jogi Lakshmi（2020）發現添加巴斯德芽孢桿菌（Bacillus Pasteuri）和枯草芽孢桿菌（Bacillus Subtilis），是修復混凝土裂縫最有效的細菌。

參、研究方法

本研究依據自我修復細菌混凝土進行研究，以網際網路搜尋資料，並到圖書館借閱書籍，經由文獻探討並親自進行配比設計、試驗及養護等過程，從中瞭解添加細菌與無添加摻料的這兩種配比之抗壓強度、吸水率等變化，最後以養護7天與28天養護齡期之試驗結果比較兩種配比設計對細菌自我修復的進行探討。

肆、研究分析與結果

一、流度試驗

工作性能力包含流動性、搗實性以及穩定性。

試驗步驟：完成水泥砂漿拌合後，「將水泥砂漿分兩層倒入流度模內，每層厚約25mm，並以搗棒搗實20次，使得水泥砂漿均勻填實並避免水分滲出」（洪國珍，2020），將多餘之水泥砂漿去除。水泥砂漿填實完成後一分鐘內，將流度模垂直向上提起。啟動流度儀，使流度台於15鐘內跌落25次以尺量測跌落後直徑，間隔45°量測4次，計算平均直徑。

在試驗結果中，細菌組的工作性比對照組更佳，推測是因為細菌吸收水分後會進行溶解污染物，進而出現水解現象。

二、抗壓強度

本研究皆以水灰比0.55進行製作125立方公分的抗壓試體，其中有兩種配比對照組為純水泥、砂以及拌合水，無添加任何摻料，細菌組（實驗組）為將細菌液以5%的重量比進行取代拌合水。

試驗步驟：抗壓試體模內塗上一薄層脫模劑，例如礦油、潤滑脂或輕黃油，試體模裝妥後，擦拭去除多餘之礦油、潤滑脂或輕黃油。

水泥砂漿拌合完成後，「在2.5分鐘應進行水泥砂漿試體製造，將水泥砂漿分兩層倒入模內，每層厚約25mm，並以搗棒於10秒內均勻搗實32次」（葉基棟，1991），最後以刮刀將試體模表面多餘之水泥砂漿去除。將試體模置於進行養護，24 小時後拆模。

從養護水槽中取出齡期28天之試體，擦乾試體表面，檢查試體承壓表面是否粘著任何砂粒或雜物，並應加以磨平。將水泥砂漿試體置於抗壓實驗機支承座中央，並加載荷重於試體，使得試體於20至80秒間達到破壞之最大荷重。

試驗結果顯示出細菌組（黃色條）在齡期28天提升高達23%的強度，推測是細菌擁有自我修復之功能，可以在孔隙中產生碳酸鈣，避免裂縫惡化。

三、吸水率

吸水率計算式 =（面乾內飽和重-乾重）/（乾重）。（蔡得時，2010）。

一般而言吸水率越低則越佳，在本試驗結果中，可看出對照組吸水率平均在10%，則細菌組走向逐漸降低至7%，在細菌組7天時比對照組高，推測是因為細菌需要空氣中的養分與水分沉澱碳酸鈣，進而使水泥砂漿內部孔隙與外部的裂縫。

四、明彩度

本研究利用「得利空間配色大師」進行明彩度之觀察，並固定光源且接以正面為觀測區，因為先前在抗壓試體模內塗上一薄層脫模劑，避免油汙影響明彩度觀察。

明度指物體之明亮程度。

彩度指物體之飽和程度。

對照組代碼：39yy/53/063，表示色調為39度，飽和度為10%，明度為76%。

細菌組代碼：20yy/29/095，表示色調為33度，飽和度為18%，明度為60%。

觀察結果可得知，加入細菌後飽和度增加8%，明度則減少16%，由此推測是因為細菌在表面進行孢子繁生以進行裂縫修補。

伍、研究結論與建議

  一、結論

（一）觀察色票之明度，判斷枯草桿菌能否使風化水泥砂漿自我修復

研究中，細菌表面色票飽和度為18%，明度為60%，比起對照組深，其中影響因素有油漬，但相同水槽與環境下，影響因素只有細菌與否。推測是細菌在表面進行孢子繁生以進行裂縫修補。綜合以上觀察，研究發現：細菌會使色票變深。

（二）枯草桿菌能有效自我修復風化水泥砂漿，降低水泥砂漿吸水率

本研究中，細菌組在吸水率7天到28天，減少了3%甚多，則對照組卻維持10%上下，由此推測是細菌有效地沉澱碳酸鈣填補裂縫，使裂縫被填補而減少裂縫。研究發現：細菌能有效填補裂縫使吸水率降低。

（三）枯草桿菌能使風化水泥砂漿自我修復，提高水泥砂漿抗壓強度

研究中，當細菌吸收水、養分達到一值，將使孢子催促碳酸鈣沉澱進而填補裂縫。研究發現：細菌能有效填補裂縫使抗壓強度提高。

二、建議

（一）建議加入枯草桿菌防止裂縫持續擴大

在本研究中齡期僅到28天，細菌組之強度與吸水率皆比對照組佳，其中有一點無法得知是細菌能存活多久，是否齡期越長效果越佳？如果是，那麼真的能長久居住嗎？事實上，生產方解石並不會加強混凝土結構，只是阻止裂縫持續擴大，而且達到一定程度後抗壓強度提升的速度將會減緩，細菌同時也隨著時間越長而越少，那也就代表房屋無法長久有效的居住，但是能有效的避免像壁癌這種裂縫，使情況不惡化，因此需要再增加摻料來彌補此固有的強度。

（二）建議拌合混凝土時不宜加入酸性細菌

其中細菌的種類也非常重要，因為需要參考到混凝土內部結構最不喜歡酸性環境，所以需要以鹼性細菌進行平衡且絕不可用酸性細菌，否則細菌修復的功能會不增反減，失去原本想達到的目地。

陸、參考文獻

1. 陳貽瑱（2016）。生物基材自癒混凝土。國立中興大學土木工程學系所：碩士論文。

2. 洪國珍、楊松翰、莊豐益（2020）。材料與試驗。旭營文化出版社。

3. 葉基棟、吳卓夫（1991）。營造法與施工。茂榮圖書有限公司。

4. 蔡得時、李尚成（2010）。材料試驗。矩陣出版股份有限公司。

5. 工程師職稱平台（2018）。水灰比對混凝土的影響。https://reurl.cc/akzmZD。

6. 廣東鴻科建築管理（2017）。影響混凝土工作性的因素。https://reurl.cc/nEXdl8。

7. 生物資源保存研究中心（2020）。真菌混凝土。https://reurl.cc/MbD533。