细菌水泥混凝土路面修补材料性能实验研究
2017-10-13
(岳阳市公路桥梁基建总公司, 湖南 岳阳 414000)
细菌水泥混凝土路面修补材料性能实验研究
黄建胜
(岳阳市公路桥梁基建总公司, 湖南 岳阳 414000)
优选了一种芽孢杆菌，将适量浓度的该细菌与其他改性材料掺入到水泥基材料中制备出一种早强高强水泥混凝土路面修补材料。首先，通过力学强度测试，试验结果表明：在控制水灰比一定的条件下，浓度为2.5 cfu/mL的加菌水泥砂浆试件力学性能最佳；其次，通过扫描电子显微镜SEM，发现芽孢杆菌的掺入对钙矾石等水化产物的形成具有促进作用；再次，试验证明了芽孢杆菌的掺入能在不影响施工和易性的前提下能大幅提高水泥砂浆的粘结强度和水泥混凝土的早期抗折强度和抗压强度。特别地，在9 h时的强度可达到设计配合比的80%以上，非常适用于水泥混凝土道路常见病害的快速修补。最后，设置了模拟干燥开裂试验，结果表明细菌混凝土抗裂性能良好。
水泥混凝土路面; 细菌; 修补剂; 水化反应; 力学强度
0 前言
过去的二十几年是我国公路建设的蓬勃发展期，时至今日，贯穿全国的高速公路网已经基本建成，公路总里程突破450万km。其中，高速公路总里程将近11万km，基本上覆盖了我国26个省、市的90%以上中、小型城市。算上二级公路在内的高等级公路里程突破65万km，乡村公路总里程接近400万km[1]。水泥混凝土路面作为最主要的公路路面铺装形式之一，更具使用性能好，造价成本低等技术特点，备受公路建设部门的青睐。有报道称早在2011年，我国水泥混凝土路面总里程数已接近138万km，约占公路总里程的1/5之多，里程数名列世界第一。然而，水泥混凝土作为一种亲水性的刚性材料，在复杂多变的自然荷载环境下容易导致路面发生裂缝、坑槽、沉陷、碎裂等病害，水泥混凝土路面快速修补材料也因此应运而生。
针对水泥混凝土路面常用的修补方法[2]一般可归结为两类，其一是采用有机类修补材料[3-9]，具有代表性的如用来加铺薄层罩面的沥青质材料和封闭裂缝用的有机高聚物等。有机材料修补法虽然具有使用便捷， 但在实际应用过程中存在着较多的技术问题， 如需要加热的仪器与设备、与原路面黏结性较差、新旧材料刚度不一导致荷载传递不均、易老化、易出现反射裂缝、表面使用功能低、新旧材料存在色差等。另一种传统修补方法[10-14]是采用高于或者与旧路中水泥混凝土强度相当的水泥混凝土来对破坏的结构或部位进行针对性的修补。该方法虽然改善了不同材质带来的受力与导热均一性问题，但却存在着养护时间长、材料收缩大，与原路面粘结力不足以及界面过于薄弱等问题。因此，一种优质的水泥混凝土道路用修补材料的研发，正为公路管理部门所期待，从事相关方面的试验研究具有良好的科研价值和现实意义。
本研究打破传统的修补技术方法，通过利用筛选得到的芽孢杆菌制备出一种新型水泥混凝土修补材料，该材料具有凝结速度快、早期强度高、性能稳定、施工便捷等技术特点，适用于水泥混凝土常见病害的修复和预防等。
1 材料与组成
1.1 水泥
水泥为湖南平塘公司生产的P.O 52.5和42.5号水泥，其相关性能指标参考表1。
表1 水泥基本性能参数水泥品种凝结时间/min抗折强度/MPa抗压强度/MPa初凝终凝3d7d28d3d7d28dPO4251572164．45．86．6224249PO5251651955．46．88．929．541．361．9
1.2 骨料
细骨料为中砂，细度模数 2.7，见表2；粗骨料为连续级配 5～20 mm 的卵石。
表2 砂的技术指标含泥量/%泥块含量/%细度模数10527
1.3 菌种
转基因芽孢杆菌(Transgenic Bacillus)，由普通芽孢细菌转基因得到，该菌种对人畜无毒无害，能在碱性的水泥混凝土环境下生长，脱离碱性环境便停止繁殖，不污染环境。
1.4 培养基
有蔗糖、玉米粉、酵母提取物，蒸馏水等。
2 细菌浓度的优选与砂浆粘结性能测定
2.1 细菌浓度的优选
采用P.O 52.5号的水泥，参考《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》[15]，水泥用量C∶标准砂S∶水H为1∶3∶0.5，水泥取450 g，将培养的细菌掺入水泥，得到细菌修补砂浆，其实验配比及流动度参数如表3所示，需要注意的是为了体现对比效果，需在空白对照组中加入等量同浓度的培养基溶液。
表3 砂浆流动度检测结果编号C∶S∶H浓度/(cfu·mL-1)流动度/mmBLANK1∶3∶050170TB-11∶3∶0515168TB-21∶3∶052166TB-31∶3∶0525169TB-41∶3∶053169
参考相关试验规范，制备上述BLANK组和TB组的4个试件，并在规定的条件下进行养护至28 d，分别测试各组试件6 h、9 h、1 d和28 d抗折与抗压强度，记录、对比，绘图分析见图1所示。
图1 砂浆的抗折强度和抗压强度的发展规律
从图1中可以看出: 抗折强度和抗压强度增加趋势大体相同，早期0～24 h过程中，复合改性砂浆试件力学强度增长较快。同时可以看出，在养护1 h时，TB — 1到TB — 4中的4个试验组的抗折强度均明显高于BLANK组；到1 d后，试验组中抗折强度最高的TB — 3达到7.5 MPa，而BLANK组的仅为其大小的54.7%。分析其原因可能是，带负电的微生物细胞表面从外部环境中吸引像 Ca2+这样的阳离子，使其细胞表面不断聚集，进而加快了水化速率，促进了钙矾石的形成。24 h以后到28 d，曲线较为平顺，抗折强度增长缓慢，各试验组的抗压强度值均在1.32倍以上。
综合考虑图1中所示的抗折抗压力学性能以及上述表1和表3中凝结时间以及流动度等施工性能参数，优选浓度为2.5 cfu/mL的TB — 3为备用修补剂。
2.2 扫描电子显微镜分析(SEM)
为探明TB-3修补材料给水泥水化反应带来的影响，制备了TB — 3水泥试块，养护至某一龄期后放置于扫描电子显微镜下放大10000倍观测其结构形态。
对比图2和图3: 不难看出TB — 3组水泥浆体在6 h时存在大量的针柱状的水化产物钙矾石和C-S-H 凝胶聚集在结构表面。分析其原因可以从以下几个方面来考虑：其一，TB — 3中芽孢杆菌可能分泌某种胶凝特性成分(如活性酶)，在水化反应的早期生成了AFt、AFm 和水化铝酸三钙等能提高水泥早期强度的水化产物；其次，TB — 3中Ca2+在细胞周边聚集加速催化了水泥的水化反应，钙矾石的数量随之增加；再次，TB-3中的细菌或者分泌物对水化反应具有晶核作用(又可称为“晶核效应”)，使得C3S 的水化速率明显加快。
a)为6 h时的扫描电镜谱图 b)为28 d时的扫描电镜谱图
a)为6 h时的扫描电镜谱图 b )为28 d时的扫描电镜谱图
2.3 粘结强度测定
修补材料的粘结强度是水泥混凝土道路修补过程中必须考虑的关键因素，优良的粘结强度直接关系着修补质量和寿命。为客观反映粘结强度这一性能，研究采用在提前对半切割好的小梁试件破坏断面润湿后粘结上需要测定的新材料(如图4左侧为水泥混凝土试块，右侧待测的材料)，实验室养护9 h，1 d、28 d后，测试其抗折强度，加载模型如图5所示。
图4 用于测定粘附力的试件(单位: mm)
图5 抗折强度测定原理示意(单位: mm)
实验结果记录，见表4。
表4 不同时期抗折强度值MPa组别抗折强度9h1d28dBLANK020712TB-3072956
由表4中可知: TB — 3水泥砂浆在9 h，1 d以及28 d抗折强度对比与其结构自身的抗折强度值(5、6.9及12 MPa)均具有大幅度的降低，但与BLANK组(即普通水泥砂浆)相比，其值远大于对应龄期的BLANK组抗折强度值。这就表明TB — 3水泥砂浆的粘结力优于普通水泥砂浆。其原因可以从以下几个方面进行分析：其一，芽孢杆菌在水泥基材料里面分泌了大量的碳酸钙结晶，提高了试件的强度和硬度；其二，部分细菌转化为丝状细胞从而充当强化纤维的作用，改善了试件的抗折强度；其三，细菌繁殖过程中分泌的蛋白酶或矿物具有充当胶水和黏合剂的作用。
3 TB-3混凝土性能研究
3.1 施工和易性
采用P.O 42.5号水泥，参考公路水泥混凝土路面设计规范配制C30复合改性修补混凝土，其配合比见表5。
表5 配合比参数组别配合比水泥砂石水修补剂砂率水胶比BLANK119533042/037042TB-311953304201037042
根据表5中的配合比，在标准环境下拌制得到TB — 3混凝土，试验测得其和易性能指标记录见表6 。
表6 施工相关性能指标组别坍落度/mm容重/(kg·m-3)凝结时间/min初凝终凝BLANK102355119127TB-325240097126
参考公路水泥混凝土施工技术规范[16]，结合表6内容可知，TB-3混凝土凝结时间大于60 min，坍落度在小于30 mm，满足施工要求。
3.2 力学性能
材料的物理力学性能的大小直接关系着其使用性能的好坏，又因水泥混凝土作为一种硬脆性的刚性材料，其力学性能的不足将直接导致道路路面结构的破坏，影响公路的使用性能甚至酿成交通事故。因此，本研究设计试验，对比分析了TB — 3组和BLANK组的抗折强度和抗压强度大小，实验结果见图6。TB — 3混凝土压折比发展规律见图7。
图6 TB-3混凝土抗折强度和抗压强度的发展规律
图7 TB-3混凝土压折比发展规律
由图6b中可以看出: 使掺入了TB — 3配制的混凝土在 9 h即可达到设计配合比混凝土抗压强度的 82.3%，这一强度已达到道路开放交通的需要。同时，从图7中可以看出，TB — 3混凝土的压折比小于BLANK组，而压折比的下降表明了TB — 3材料对于抗折强度的贡献远高于对抗压强度的贡献，这也提高了TB — 3修补材料在道路修补工程中的适用性。
3.3 TB-3混凝土的抗裂性能
水泥混凝土裂缝是工程实际中普遍存在的一个问题，也是工程建设人员最为头疼的常见问题。对于早强、快硬性的水泥混凝土，其所面临的裂缝情况更为恶劣。另一方面，水泥属于亲水性材料，水泥混凝土路面裂开的缝隙中的液态水在动水压力的反复作用下，会导致路面板产生一些病害，如唧泥、错台、沉陷以及碎裂等。鉴于此，课题组采用了1000 mm×100 mm的平板开裂试模并插入大号螺纹钢，进行了TB — 3混凝土开裂模拟试验。实验见图8。
图8 TB-3组复合改性修补混凝土整体图
试验采用凌云牌800 W插电取暖器对试模中混凝土不间断进行摆头均匀烘烤，以促进TB — 3复合改性修补混凝土水分的蒸发，模拟一个干燥环境。通过实验观察，如图9所示TB — 3试件表观质量完好，未出现明显裂缝。
图9 混凝土螺纹钢附近裂缝观测图
4 结论
1) 通过大量的试验，根据抗折抗压力学性能以及凝结时间与流动度等施工性能参数，优选出浓度为2.5 cfu/mL的芽孢杆菌材料TB — 3为最佳修补剂。
2) 利用扫描电子显微镜(SEM),对比了BLANK组和TB — 3组在6 h和28 d的表面微观构造与组成，发现TB — 3修补材料的掺入对水泥中钙矾石等水化产物的形成具有促进作用。
3) 通过抗折强度试验表征TB — 3水泥砂浆的粘结能力，试验证明，TB — 3组砂浆的粘结力在9 h时为BLANK组的3.5倍，28 d时为BLANK组的4.67倍，粘结力有所提高。
4) 实验证明TB — 3水泥混凝土的施工和易性能满足施工要求，掺入TB — 3能显著提高水泥混凝土的早期抗折抗压强度。特别地，TB — 3水泥混凝土的9 h时的抗折强度和抗折强度都显著提高，在水泥混凝土道路常见病害的快速修补方面有一定的应用前景。
5) 通过人工模拟干燥环境，验证了TB — 3水泥混凝土具备良好的抗开裂性能。
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1008-844X(2017)03-0080-04
U 414
A
2017-03-30
黄建胜(1975-)，男，工程师，从事公路工程技术工作。
