混凝土裂缝的微生物自修复效果

钱春香 李瑞阳 潘庆峰 罗 勉 荣 辉

(东南大学材料科学与工程学院,南京 211189)

(东南大学绿色建材研究所,南京 211189)

混凝土是目前世界上使用量最大、应用范围最广的工程材料,但因其具有较低的弹性模量和抗拉强度,常常会在表面产生一些肉眼可见的微裂缝,而这些会对混凝土的耐久性产生不利影响,尤其是会极大地降低混凝土的抗渗性、抗氯离子侵蚀以及抗碳化能力.因此,及时修复混凝土表面裂缝可以有效阻止有害物质侵入混凝土内部及钢筋,提高混凝土结构的使用寿命.而微生物修复的方法能很好地解决上述问题,不仅能满足混凝土裂缝自修复的要求,而且不需要人工检测和修复,能耗低,绿色环保.

混凝土裂缝的微生物自修复方法,最早由Gollapudi等[1]于1995年提出.该方法基于微生物矿化机理,且具有潜在的裂缝自修复能力,因此吸引了一大批科研人员.目前荷兰Delft大学[2-6]和比利时Ghent大学[7-9]基于微生物矿化的机理,分别将微生物和底物作为外加剂添加到水泥基体中,在微生物自修复方面均取得了较好的研究进展.一般混凝土在产生微裂缝时,自身未水化的颗粒会通过二次水化将裂缝修复,但是修复范围较小.Jonkers等[6]研究发现,混凝土的裂缝宽度低于0.21 mm时,可通过自身的二次水化完全修复,而微生物自修复方法可完全修复宽度低于0.47 mm的裂缝.

本文首先制备了含有微生物修复剂的水泥砂浆试样,然后利用裂缝测宽仪、扫描电镜和热重分析技术分别对微生物自修复混凝土裂缝的效果进行了研究.

1 试验材料与方法

1.1 试验用微生物

水泥基材料水化后其内部为高碱环境,pH值约为12～13[10],因此所选菌株应该具有较强的耐碱性.本课题选用从高碱性盐湖土壤中提取出来的嗜碱芽孢杆菌,通过多次耐碱性选育,成功培育出耐碱性较强且可以产生碳酸钙晶体的改良嗜碱芽孢杆菌.

1.2 试件制作

本试验所用水泥型号为PⅡ52.5;水灰比为0.33;底物用量为水泥质量的2%.试验配合比见表1.

表1 配制1 L砂浆各原料用量

其中,菌泥为离心后的浓缩菌液,采用陶砂负载菌体,在菌液中浸泡24 h后使用.试件尺寸为40 mm×40 mm×160 mm,试件中菌体数量约为2×108个/cm3.成型好的试件放进20 ℃且湿度大于90%的标准养护室内养护7 d，然后制作裂缝.

1.3 试件的修复养护

为了提供微生物修复裂缝的适宜环境,将产生裂缝的试件放到恒温30 ℃水箱中进行养护.当裂缝中充满水时,底物可以溶解到水中,通过混凝土中的孔隙运输到裂缝表面,为细菌的矿化作用提供原料.因为本试验采用的细菌是好氧菌,因此在水箱中通入氧气.

1.4 表征方法

首先利用裂缝测宽仪对不同龄期的裂缝进行宽度测量并记录,通过修复前后的宽度对比表征表面裂缝的修复效果;其次用切割机将裂缝整体取出,将试件沿裂缝处掰开,取其中一个裂缝断面并将其放到扫描电镜下,观察沿裂缝深度方向生成物质的分布情况;最后取另一断面,利用锉刀沿着裂缝断裂面往基体中磨下去,将磨出的粉末收集并对其进行TG分析,每磨出一定量的粉末便用游标卡尺量出剩余厚度,以此计算出粉末在裂缝宽度方向上的区间范围,从而分析碳酸钙在裂缝宽度方向上的分布情况.

2 试验结果与分析

为了方便对裂缝修复效果进行表征,试件中裂缝的3个方向分别用x轴、y轴和z轴表示,其中x轴表示裂缝深度方向,y轴表示裂缝宽度方向,z轴表示裂缝长度方向,如图1所示.

图1 裂缝内部不同方向示意图

2.1 不同龄期试件表面裂缝的修复效果

试件裂缝修复效果最直接的表征方法是直接观察法,通过修复前后的裂缝宽度对比,判断裂缝是否被填充完毕,不同修复时间的照片如图2所示,图中A,B,C表示同一条裂缝的3个不同部位.试验采用混凝土裂缝测宽仪分别检测A,B,C三处不同龄期裂缝的宽度,结果如表2所示.

图2 不同修复时间的裂缝填充程度

表2 裂缝测宽仪测量的A,B,C三点的宽度 mm

通过图1中不同龄期的照片以及表2中不同龄期的裂缝宽度的对比,可以发现,随着龄期的延长,裂缝处的碳酸钙晶体含量增加,裂缝宽度变小,到40 d左右时表面处裂缝被碳酸钙晶体完全填充,从而可以有效地阻碍有害物质侵入混凝土内部.

2.2 扫描电镜显微分析

借助扫描电镜对裂缝修复效果进一步表征的结果如图3(a)、(b)所示,裂缝开口处的两侧以及裂缝中多是颗粒状的碳酸钙,但是也存在少量针状的物质,与底物形貌相似,如图3(c)、(d)和图4所示.此外,沿着裂缝深度方向(x轴方向),断裂面不同位置的表面状况如图5所示.

由图5可知,从裂缝开口处开始沿裂缝深度方向(x轴方向)14 mm范围内取7个观察点(已用圆圈标出),放大倍率均为500倍,分别得到这7个点的SEM照片.从图中可以发现,断裂面表面上主要有2种形状的颗粒,一种呈颗粒块状,另一种呈条状.而由图3、图4可知,这2种不同形状的颗粒分别是碳酸钙和未反应的底物.仔细观察这些图片,可发现沿着裂缝深度方向(x轴方向)有一个明显的趋势:颗粒块状的碳酸钙在裂缝开口处最多,没有未反应的底物残留,而沿着x轴正方向不断往里深入,碳酸钙颗粒数量逐渐减少,到6 mm处时可发现有少量条状底物;到达深处10 mm时有一个明显的突变,颗粒状碳酸钙明显减少而条状底物的数量大量增加,再往深处碳酸钙颗粒几乎消失,但存在着大量条状底物.

图3 试件裂缝表面处的形貌

图4 底物颗粒的形貌

图5 碳酸钙沿裂缝深度方向(x轴方向)的分布

通过扫描电镜显微分析,不仅可以发现裂缝处的填充物可能为碳酸钙晶体,对比图4所示的底物的形貌图,还可以判断水泥石表面的少量针状物就是随着水泥砂浆孔溶液析出到裂缝中且尚未被微生物分解的底物.进一步对裂缝沿x轴方向的取点分析表明,沿裂缝x轴方向距裂缝口10 mm范围内均有碳酸钙生成,且其含量随着深度的增加越来越低.主要原因是微生物的矿化作用需要合适的环境条件,裂缝口处的氧气含量最高,这里的微生物酶催化作用最为强烈,底物的分解率最高,产生的碳酸钙也就最多.越往裂缝深处即沿着x轴方向,环境条件越来越苛刻,不利于微生物生长,相应的碳酸钙的产率也就越低,而未被分解的底物数量也越多.

2.3 热重分析

为了进一步研究碳酸钙在裂缝y轴方向上的分布,利用热重分析对碳酸钙进行定量分析.在y轴方向上对试件取样,取样范围如表3所示.对裂缝y轴方向上的碳酸钙进行定量分析,其TG结果如图6所示.

从图6可看出,样品1、样品2在700 ℃左右时失重最大,样品3、样品4其次,而样品5最少.由于样品1、样品2在裂缝附近较近范围以内,其中的底物已经几乎完全分解;而在试件的成型初期,底物的添加量只有2%,认为样品3、样品4中剩余的少量底物含量对热重曲线影响不大,亦可以忽略不计.另外样品5中几乎不含碳酸钙,故以样品5为基准,认为其中的碳酸钙含量为0,以此可以求出其他样品中的碳酸钙含量.计算结果如表4所示.

表3 磨得粉末样品在垂直裂缝断裂面方向上的深度

图6 裂缝不同深度内(y轴方向)粉末样品的TG图谱

最后阶段的质量损失就是TG曲线上700 ℃左右范围内的质量下降;认为样品5的质量损失全部来自于水泥净浆,那么其他样品较之于样品5多出来的质量损失便来自于碳酸钙的分解,由此便可以计算出各样品中碳酸钙的质量及其含量.

由图6和表3分析可知:沿着裂缝y轴方向碳酸钙的含量总体呈现不断减少的趋势,在距离裂缝断裂面表层1.5 mm范围内碳酸钙含量较高,平均达到20%以上;在距离裂缝截面表层1.5～2.0 mm范围内含量较低,平均只有8%左右;而再往水泥基体中深入便几乎没有碳酸钙形成.

表4 沿裂缝y轴方向的碳酸钙含量定量分析

3 结论

1) 随着龄期的增加,混凝土裂缝处的碳酸钙晶体数量增加,裂缝宽度逐渐变小,到40 d左右时表面的裂缝被碳酸钙晶体完全填充.

2) 扫描电镜分析结果表明,在裂缝深度x方向上,裂缝表面10 mm范围内均有碳酸钙生成,生成的碳酸钙晶体随着深度的增加逐渐减少.当裂缝深度处于10 mm以下的位置时,几乎没有碳酸钙生成.

3) 热重分析表明,沿着裂缝y轴方向碳酸钙的含量总体呈现不断减少的趋势,在距离裂缝断裂面表层1.5 mm范围内碳酸钙含量较高,平均达到20%以上;在距离裂缝截面表层1.5～2.0 mm范围内含量较低,平均只有8%左右;而再往水泥基体中深入则几乎没有碳酸钙形成.

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[1]Gollapudi U K, Knutson C L, Bang S S, et al. A new method for controlling leaching through permeable channels [J].Chemosphere, 1995,30(4): 695705.

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[4]Jonkers H M, Schlangen E. Development of a bacteria-based self healing concrete [C]//TailorMadeConcreteStructures. London: Taylor & Francis Group, 2008: 425-430.

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[9]de Muynck W, de Belie N, Verstraete W. Microbial carbonate precipitation in construction materials: a review[J].EcologicalEngineering, 2010,36(2): 118-136.

[10]Rasanen V, Penttala V. The pH measurement of concrete and smoothing mortar using a concrete powder suspension[J].CementandConcreteResearch, 2004,34(5):813-820.