下水道系统、海洋工程、地下工程和其他潮湿环境中的混凝土结构很容易遭到细菌、真菌等微生物的附着和定植，影响混凝土的工作性能、力学性能和耐久性。在混凝土制备过程中，加入一些抗菌剂能有效抑制或杀灭细菌微生物，从而使得混凝土具备抗菌的性能，不仅能延长混凝土的使用寿命，还能够降低后期维护及维修成本。本文介绍了几种常用于抗菌混凝土制备的抗菌剂及其对混凝土的影响。

1.抗菌剂的种类

根据组分的不同，常用于混凝土抗菌改性的抗菌剂分为无机抗菌剂和有机抗菌剂^[1]。

（1）无机抗菌剂在混凝土中应用的无机抗菌剂包括重金属（银、镍、钨）、金属化合物（钼酸银、氧化铜、氧化锌、钨酸钠、溴化钠）、NORGANIX（一种硅酸盐混凝土密封剂）、游离亚硝酸（FNA）以及纳米无机抗菌材料。金属或金属离子的抗菌活性的顺序是。Ag > Hg > Cu > Cd > Cr > Ni > Pb> Co > Zn > Fe。其中银和银离子化合物的抗菌活性效果最强，但由于成本较高，很少考虑用其作为抗菌剂。无机抗菌剂的特点为使用寿命长、耐高温，但有毒性等副作用。近几年研究发现，二氧化钛、氧化锌、氧化铜、氧化铝等纳米材料都对微生物有良好的抑制作用。

（2）有机抗菌剂在混凝土中应用的无机抗菌剂包括季铵化合物、酞菁化合物、甲酸钙、烷基硝基溴化物、异噻唑啉、ConShield（一种高电荷阳离子聚合物）、ConBlockMIC（其活性成分为3-三甲氧基甲硅烷基丙基二甲基十八烷基氯化铵）。其中季铵化合物是最具代表性的有机抗菌剂，如硅烷季铵氯化物（SQA）和十六烷基甲基溴化铵，都已被广泛研究和应用。有机抗菌剂的特点是在短期内具有明显的杀菌效果，杀伤范围广，但耐温性差。此外，大多数有机杀菌剂最终不能有效地清除微生物，而且在微生物产生抗性后，最终可能导致受影响的表面出现新的微生物。

2.抗菌剂的抗菌机理

（1）无机抗菌剂的抗菌机理重金属抗菌剂的抗菌机制：微生物附着或渗透到混凝土中，金属离子逐渐溶解并与细菌的蛋白质和核酸中存在的硫醇基（-SH）、氨基（-NH2）和其他含硫氮功能团发生反应，从而抑制或灭活一些必要的酶，并扰乱细胞的渗透稳定性，从而达到抗菌目的^[2]。纳米材料有多种杀菌机制：（1）与纳米颗粒直接接触或光催化产生活性氧而损坏微生物的细胞膜。（2）纳米材料能促进有毒离子的释放。（3）纳米材料能阻断电子运输，从而改变蛋白质氧化膜电荷。（4）活性氧化物对DNA、RNA、蛋白质的降解和酸化，以及活性氧化物的产生都能降低ATP产量，这也是纳米材料具有杀菌特性的原因^[3]。

Fig. 1. 纳米材料可能的杀菌机制示意图

（2）有机抗菌剂的抗菌机理有机抗菌剂通过破坏细胞膜、变性蛋白质或破坏代谢过程来抑制微生物的生长和繁殖。例如，铜酞菁的高杀菌性能主要由铜离子提供，铜离子可能会干扰细菌细胞的代谢过程或影响各种酶的功能，使其失去生物功能，最终导致细胞死亡。同时，有机抗菌剂中带正电荷的有机阳离子可以被与混凝土接触的带负电荷的细菌选择性吸附。它们可以通过渗透和扩散进入细胞膜，阻止细胞膜的半渗透作用，抑制酶的产生，达到杀菌效果。上述例子是抗菌剂单独使用时的抗菌或抑菌的机制，其在混凝中使用的相应抗菌机制鲜有报道，需进一步研究^[4]。

3.抗菌混凝土的性能

Fig. 2. 抗菌混凝土示意图

抗菌混凝土的制备通常有两种方法：第一种是使用无机或有机的水泥基材料作为载体，将其涂在混凝土表面形成保护涂层，可以起到杀菌作用；第二种是在预分散后直接将抗菌剂作为功能成分掺入混凝土混合料中^[5]。第一种制备方法抗菌剂对混凝土的性能影响不大，第二种制备方法添加不同类型和数量的抗菌剂，抗菌混凝土会表现出不同力学性能，其中主要影响因素是抗菌剂的种类、掺量和混凝土的龄期。

（1）对掺入不同种类和掺量杀菌剂的混凝土7d、28d和56d抗压强度进行研究，发现掺入0.1%铜酞菁的混凝土28d抗压强度提高了60%，表明铜酞菁不仅增加了混凝土的流动性，而且加速了水泥水化，通过分散水泥促进了强度的发展^[6]。（2）对掺入硝基钠抑制剂改性的四种水泥复合材料在7d、21d和28d时的强度发展进行研究，其中掺有硝基钠抑制剂的水泥复合材料28d抗压强度提高了26%^[7]。（3）研究中发现含有抗真菌剂异噻唑啉的水泥砂浆的抗压和抗折强度几乎与未添加水泥砂浆的相同。因此，表明添加异噻唑啉/cabamate对水泥砂浆的抗压和抗弯强度几乎没有负面影响。（4）采用抗菌防水外加剂（其中抗菌成分为镍和钨化合物）的混凝土抗压强度早期会降低，但在长期使用中抗压强度会有所提高^[8]。

4.抗菌混凝土的应用和展望

混凝土是污水处理系统中最丰富的材料，但其腐蚀的风险也最大。尽管大多数研究结果都是基于实验室的测试，但在实际应用抗菌混凝土的过程中仍有一些研究结果。考虑到混凝土由一些典型的抗菌剂所带来的优越的抗菌特性，抗菌混凝土的主要应用之一是缓解和控制由微生物代谢造成的污水系统中的微生物腐蚀，如混凝土下水管道、污水井、废水收集系统和处理厂等。美国亚特兰大的下水道建设使用混有ConShield的混凝土，用以解决硫杆菌在下水道系统中的生长和扩散，俄亥俄州的哥伦布市也采用了该材料修复混凝土沙井，修复效果图见图3。

Fig. 3. 哥伦布市混凝土沙井抗菌修复前（左）及修复10年后（右）的照片

在目前的研究中，各国研究者对抗菌混凝土的抗菌剂类型、作用机理及抗菌性能影响因素的研究有了很大进展。但目前对于抗菌混凝土的研究大多数仅限于实验室阶段，实际应用很少，需要现场试验验证抗菌混凝土的可行性。同时，抗菌混凝土的发展基于抗菌剂的进步，制造出新型高效、长效、广谱、环保的抗菌剂是研究者未来努力的目标。此外，抗菌混凝土凭借其卓越的抗菌性能，可能在抗击病毒的领域有更多的应用。特别是，现在世界上正处于新冠病毒流行期，世界各国正在建设新的医院或改善现有医院的设施，以便更好地治疗受感染的病人。

参考文献

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[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.

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[6]李长鹏. 基于混凝土耐久性的抗菌试验研究[D].宁夏大学,2015.

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