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下水道系統(tǒng)、海洋工程、地下工程和其他潮濕環(huán)境中的混凝土結(jié)構(gòu)很容易遭到細(xì)菌、真菌等微生物的附著和定植，影響混凝土的工作性能、力學(xué)性能和耐久性。在混凝土制備過程中，加入一些抗菌劑能有效抑制或殺滅細(xì)菌微生物，從而使得混凝土具備抗菌的性能，不僅能延長(zhǎng)混凝土的使用壽命，還能夠降低后期維護(hù)及維修成本。本文介紹了幾種常用于抗菌混凝土制備的抗菌劑及其對(duì)混凝土的影響。

1.抗菌劑的種類

根據(jù)組分的不同，常用于混凝土抗菌改性的抗菌劑分為無機(jī)抗菌劑和有機(jī)抗菌劑^[1]。

（1）無機(jī)抗菌劑在混凝土中應(yīng)用的無機(jī)抗菌劑包括重金屬（銀、鎳、鎢）、金屬化合物（鉬酸銀、氧化銅、氧化鋅、鎢酸鈉、溴化鈉）、NORGANIX（一種硅酸鹽混凝土密封劑）、游離亞硝酸（FNA）以及納米無機(jī)抗菌材料。金屬或金屬離子的抗菌活性的順序是。Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb> Co > Zn > Fe。其中銀和銀離子化合物的抗菌活性效果最強(qiáng)，但由于成本較高，很少考慮用其作為抗菌劑。無機(jī)抗菌劑的特點(diǎn)為使用壽命長(zhǎng)、耐高溫，但有毒性等副作用。近幾年研究發(fā)現(xiàn)，二氧化鈦、氧化鋅、氧化銅、氧化鋁等納米材料都對(duì)微生物有良好的抑制作用。

（2）有機(jī)抗菌劑在混凝土中應(yīng)用的無機(jī)抗菌劑包括季銨化合物、酞菁化合物、甲酸鈣、烷基硝基溴化物、異噻唑啉、ConShield（一種高電荷陽離子聚合物）、ConBlockMIC（其活性成分為3-三甲氧基甲硅烷基丙基二甲基十八烷基氯化銨）。其中季銨化合物是最具代表性的有機(jī)抗菌劑，如硅烷季銨氯化物（SQA）和十六烷基甲基溴化銨，都已被廣泛研究和應(yīng)用。有機(jī)抗菌劑的特點(diǎn)是在短期內(nèi)具有明顯的殺菌效果，殺傷范圍廣，但耐溫性差。此外，大多數(shù)有機(jī)殺菌劑最終不能有效地清除微生物，而且在微生物產(chǎn)生抗性后，最終可能導(dǎo)致受影響的表面出現(xiàn)新的微生物。

2.抗菌劑的抗菌機(jī)理

（1）無機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理重金屬抗菌劑的抗菌機(jī)制：微生物附著或滲透到混凝土中，金屬離子逐漸溶解并與細(xì)菌的蛋白質(zhì)和核酸中存在的硫醇基（-SH）、氨基（-NH2）和其他含硫氮功能團(tuán)發(fā)生反應(yīng)，從而抑制或滅活一些必要的酶，并擾亂細(xì)胞的滲透穩(wěn)定性，從而達(dá)到抗菌目的^[2]。納米材料有多種殺菌機(jī)制：（1）與納米顆粒直接接觸或光催化產(chǎn)生活性氧而損壞微生物的細(xì)胞膜。（2）納米材料能促進(jìn)有毒離子的釋放。（3）納米材料能阻斷電子運(yùn)輸，從而改變蛋白質(zhì)氧化膜電荷。（4）活性氧化物對(duì)DNA、RNA、蛋白質(zhì)的降解和酸化，以及活性氧化物的產(chǎn)生都能降低ATP產(chǎn)量，這也是納米材料具有殺菌特性的原因^[3]。   

Fig. 1. 納米材料可能的殺菌機(jī)制示意圖

（2）有機(jī)抗菌劑的抗菌機(jī)理有機(jī)抗菌劑通過破壞細(xì)胞膜、變性蛋白質(zhì)或破壞代謝過程來抑制微生物的生長(zhǎng)和繁殖。例如，銅酞菁的高殺菌性能主要由銅離子提供，銅離子可能會(huì)干擾細(xì)菌細(xì)胞的代謝過程或影響各種酶的功能，使其失去生物功能，最終導(dǎo)致細(xì)胞死亡。同時(shí)，有機(jī)抗菌劑中帶正電荷的有機(jī)陽離子可以被與混凝土接觸的帶負(fù)電荷的細(xì)菌選擇性吸附。它們可以通過滲透和擴(kuò)散進(jìn)入細(xì)胞膜，阻止細(xì)胞膜的半滲透作用，抑制酶的產(chǎn)生，達(dá)到殺菌效果。上述例子是抗菌劑單獨(dú)使用時(shí)的抗菌或抑菌的機(jī)制，其在混凝中使用的相應(yīng)抗菌機(jī)制鮮有報(bào)道，需進(jìn)一步研究^[4]。

3.抗菌混凝土的性能

Fig. 2. 抗菌混凝土示意圖

抗菌混凝土的制備通常有兩種方法：第一種是使用無機(jī)或有機(jī)的水泥基材料作為載體，將其涂在混凝土表面形成保護(hù)涂層，可以起到殺菌作用；第二種是在預(yù)分散后直接將抗菌劑作為功能成分摻入混凝土混合料中^[5]。第一種制備方法抗菌劑對(duì)混凝土的性能影響不大，第二種制備方法添加不同類型和數(shù)量的抗菌劑，抗菌混凝土?xí)憩F(xiàn)出不同力學(xué)性能，其中主要影響因素是抗菌劑的種類、摻量和混凝土的齡期。

（1）對(duì)摻入不同種類和摻量殺菌劑的混凝土7d、28d和56d抗壓強(qiáng)度進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)摻入0.1%銅酞菁的混凝土28d抗壓強(qiáng)度提高了60%，表明銅酞菁不僅增加了混凝土的流動(dòng)性，而且加速了水泥水化，通過分散水泥促進(jìn)了強(qiáng)度的發(fā)展^[6]。（2）對(duì)摻入硝基鈉抑制劑改性的四種水泥復(fù)合材料在7d、21d和28d時(shí)的強(qiáng)度發(fā)展進(jìn)行研究，其中摻有硝基鈉抑制劑的水泥復(fù)合材料28d抗壓強(qiáng)度提高了26%^[7]。（3）研究中發(fā)現(xiàn)含有抗真菌劑異噻唑啉的水泥砂漿的抗壓和抗折強(qiáng)度幾乎與未添加水泥砂漿的相同。因此，表明添加異噻唑啉/cabamate對(duì)水泥砂漿的抗壓和抗彎強(qiáng)度幾乎沒有負(fù)面影響。（4）采用抗菌防水外加劑（其中抗菌成分為鎳和鎢化合物）的混凝土抗壓強(qiáng)度早期會(huì)降低，但在長(zhǎng)期使用中抗壓強(qiáng)度會(huì)有所提高^[8]。

4.抗菌混凝土的應(yīng)用和展望

混凝土是污水處理系統(tǒng)中最豐富的材料，但其腐蝕的風(fēng)險(xiǎn)也最大。盡管大多數(shù)研究結(jié)果都是基于實(shí)驗(yàn)室的測(cè)試，但在實(shí)際應(yīng)用抗菌混凝土的過程中仍有一些研究結(jié)果?？紤]到混凝土由一些典型的抗菌劑所帶來的優(yōu)越的抗菌特性，抗菌混凝土的主要應(yīng)用之一是緩解和控制由微生物代謝造成的污水系統(tǒng)中的微生物腐蝕，如混凝土下水管道、污水井、廢水收集系統(tǒng)和處理廠等。美國亞特蘭大的下水道建設(shè)使用混有ConShield的混凝土，用以解決硫桿菌在下水道系統(tǒng)中的生長(zhǎng)和擴(kuò)散，俄亥俄州的哥倫布市也采用了該材料修復(fù)混凝土沙井，修復(fù)效果圖見圖3。

Fig. 3. 哥倫布市混凝土沙井抗菌修復(fù)前（左）及修復(fù)10年后（右）的照片

在目前的研究中，各國研究者對(duì)抗菌混凝土的抗菌劑類型、作用機(jī)理及抗菌性能影響因素的研究有了很大進(jìn)展。但目前對(duì)于抗菌混凝土的研究大多數(shù)僅限于實(shí)驗(yàn)室階段，實(shí)際應(yīng)用很少，需要現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證抗菌混凝土的可行性。同時(shí)，抗菌混凝土的發(fā)展基于抗菌劑的進(jìn)步，制造出新型高效、長(zhǎng)效、廣譜、環(huán)保的抗菌劑是研究者未來努力的目標(biāo)。此外，抗菌混凝土憑借其卓越的抗菌性能，可能在抗擊病毒的領(lǐng)域有更多的應(yīng)用。特別是，現(xiàn)在世界上正處于新冠病毒流行期，世界各國正在建設(shè)新的醫(yī)院或改善現(xiàn)有醫(yī)院的設(shè)施，以便更好地治療受感染的病人。

參考文獻(xiàn)

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