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)抗菌劑的特點為使用壽命長、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，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使用時的抗菌或抑菌的機(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)度早期會降低，但在長期使用中抗壓強(qiáng)度會有所提高^[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)險也最大。盡管大多數(shù)研究結(jié)果都是基于實驗室的測試，但在實際應(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。但目前對于抗菌混凝土的研究大多數(shù)僅限于實驗室階段，實際應(yīng)用很少，需要現(xiàn)場試驗驗證抗菌混凝土的可行性。同時，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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