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下水道系統、海洋工程、地下工程和其他潮濕環境中的混凝土結構很容易遭到細菌、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

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

（1）無機抗菌劑在混凝土中應用的無機抗菌劑包括重金屬（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，但由于成本較高，很少考慮用其作為抗菌劑。無機抗菌劑的特點為使用壽命長、耐高溫，但有毒性等副作用。近幾年研究發現，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）有機抗菌劑在混凝土中應用的無機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用。有機抗菌劑的特點是在短期內具有明顯的殺菌效果，殺傷范圍廣，但耐溫性差。此外，大多數有機殺菌劑最終不能有效地清除微生物，而且在微生物產生抗性后，最終可能導致受影響的表面出現新的微生物。

2.抗菌劑的抗菌機理

（1）無機抗菌劑的抗菌機理重金屬抗菌劑的抗菌機制：微生物附著或滲透到混凝土中，金屬離子逐漸溶解并與細菌的蛋白質和核酸中存在的硫醇基（-SH）、氨基（-NH2）和其他含硫氮功能團發生反應，從而抑制或滅活一些必要的酶，并擾亂細胞的滲透穩定性，從而達到抗菌目的^[2]。納米材料有多種殺菌機制：（1）與納米顆粒直接接觸或光催化產生活性氧而損壞微生物的細胞膜。（2）納米材料能促進有毒離子的釋放。（3）納米材料能阻斷電子運輸，從而改變蛋白質氧化膜電荷。（4）活性氧化物對DNA、RNA、蛋白質的降解和酸化，以及活性氧化物的產生都能降低ATP產量，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制示意圖

（2）有機抗菌劑的抗菌機理有機抗菌劑通過破壞細胞膜、變性蛋白質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菌細胞的代謝過程或影響各種酶的功能，使其失去生物功能，最終導致細胞死亡。同時，有機抗菌劑中帶正電荷的有機陽離子可以被與混凝土接觸的帶負電荷的細菌選擇性吸附。它們可以通過滲透和擴散進入細胞膜，阻止細胞膜的半滲透作用，抑制酶的產生，達到殺菌效果。上述例子是抗菌劑單獨使用時的抗菌或抑菌的機制，其在混凝中使用的相應抗菌機制鮮有報道，需進一步研究^[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：第一種是使用無機或有機的水泥基材料作為載體，將其涂在混凝土表面形成保護涂層，可以起到殺菌作用；第二種是在預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量的抗菌劑，抗菌混凝土會表現出不同力學性能，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抗壓強度進行研究，發現摻入0.1%銅酞菁的混凝土28d抗壓強度提高了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，通過分散水泥促進了強度的發展^[6]。（2）對摻入硝基鈉抑制劑改性的四種水泥復合材料在7d、21d和28d時的強度發展進行研究，其中摻有硝基鈉抑制劑的水泥復合材料28d抗壓強度提高了26%^[7]。（3）研究中發現含有抗真菌劑異噻唑啉的水泥砂漿的抗壓和抗折強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度幾乎沒有負面影響。（4）采用抗菌防水外加劑（其中抗菌成分為鎳和鎢化合物）的混凝土抗壓強度早期會降低，但在長期使用中抗壓強度會有所提高^[8]。

4.抗菌混凝土的應用和展望

混凝土是污水處理系統中最豐富的材料，但其腐蝕的風險也最大。盡管大多數研究結果都是基于實驗室的測試，但在實際應用抗菌混凝土的過程中仍有一些研究結果。考慮到混凝土由一些典型的抗菌劑所帶來的優越的抗菌特性，抗菌混凝土的主要應用之一是緩解和控制由微生物代謝造成的污水系統中的微生物腐蝕，如混凝土下水管道、污水井、廢水收集系統和處理廠等。美國亞特蘭大的下水道建設使用混有ConShield的混凝土，用以解決硫桿菌在下水道系統中的生長和擴散，俄亥俄州的哥倫布市也采用了該材料修復混凝土沙井，修復效果圖見圖3。

Fig. 3. 哥倫布市混凝土沙井抗菌修復前（左）及修復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、作用機理及抗菌性能影響因素的研究有了很大進展。但目前對于抗菌混凝土的研究大多數僅限于實驗室階段，實際應用很少，需要現場試驗驗證抗菌混凝土的可行性。同時，抗菌混凝土的發展基于抗菌劑的進步，制造出新型高效、長效、廣譜、環保的抗菌劑是研究者未來努力的目標。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域有更多的應用。特別是，現在世界上正處于新冠病毒流行期，世界各國正在建設新的醫院或改善現有醫院的設施，以便更好地治療受感染的病人。

參考文獻

[1]戴永旭,李舒陽.抗菌混凝土的作用機理及發展前景[J].散裝水泥,2021(05):12-14+20.

[2] Wu, L., G. Huang, and W.V. Liu, Methods to evaluate resistance ofcement-based materials against microbially induced corrosion: Astate-of-the-art review. Cement and Concrete Composites, 2021. 123.

[3] Wan, M., et al., Insights into microbial actions on hydraulicconcrete structures: Effects of concrete alkalinity on bacterial communitycomposition and functional expression. Construction and Building Materials,2021. 280.

[4]王亞民,孟云芳.抗菌混凝土研究與應用現狀綜述[J].寧夏工程技術,2016,15(01):93-96.

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[6]李長鵬. 基于混凝土耐久性的抗菌試驗研究[D].寧夏大學,2015.

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[8] Dutta, P. and B. Wang, Zeolite-supported silver as antimicrobial agents. CoordinationChemistry Reviews, 2019. 383: p.1-29.