基于微生物成因的混凝土缺陷修复技术研究

李 娜，王丽娟，李 凯，符 平

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

基于微生物成因的混凝土缺陷修复技术研究

李 娜，王丽娟，李 凯，符 平

(中国水利水电科学研究院， 北京 100044)

通过混凝土裂缝修复试验，混凝土表面防护试验及混凝土粘结试验等多种手段研究了基于微生物成因的混凝土缺陷修复的效果和适用范围，研究表明：利用微生物在新陈代谢过程中发生的矿化作用，诱导形成碳酸钙，可以对混凝土缺陷进行修复，适合修复宽度在200 μm以下的裂缝。利用硅藻土作为载体，可以使微生物附着在混凝土表面生长，形成致密的防护层。在混凝土裂缝中涂抹菌液，可以粘结试块，提高其抗拉强度。

微生物；矿化；碳酸钙；混凝土缺陷；修复

我国拥有近10万座水库大坝，100 m以上混凝土坝数量仍在不断增加。混凝土会因承载力过大、沉降不均匀、温差变化、塑性收缩等原因产生裂缝，影响结构的稳定和安全，因此，及时对混凝土的裂缝进行修复，对病险水工建筑物进行加固是至关重要的。目前，修复混凝土裂缝的方法有很多，有表面喷涂、裂缝灌浆、裂缝填充等，这些方法大多是采用一些化学灌浆材料进行修复，很多与水泥基材料为不相容的异性材料，并且通常含有有害成分，会对环境产生一定的负面影响。Gollapudi U K等[1]于1995年提出了基于微生物矿化机理的混凝土裂缝的微生物自修复方法，Jonkers H M等[2-4]就生物质与水泥基体的相容性做了许多测试，Muynck W D等[5-7]的一系列研究表明，利用球形芽孢杆菌作为修复剂对混凝土进行修复后，混凝土基体的毛细吸水率、抗气渗性、抗碳化及氯离子渗透性、抗冻性均有较大程度的提高。Wang J Y等[8-9]在试验中采用硅胶作为固载材料，提高了混凝土高碱环境下细菌的存活率。王瑞兴等[10-11]、钱春香等[10-12]利用裂缝测宽仪、扫描电镜和热重分析对混凝土裂缝的微生物自我修复效果进行了研究。

利用微生物在新陈代谢过程中发生的矿化作用，进行诱导形成碳酸钙，可以对混凝土缺陷进行修复，其最大的优点是环境友好且与混凝土基材相容性好。目前国内相关的研究较少，利用微生物的生化机理进行混凝土缺陷修复的效果评价指标尚不完善。本文通过混凝土裂缝修复试验，混凝土表面防护试验，混凝土粘结试验等多种手段研究了基于微生物成因的混凝土缺陷修复的效果和适用范围。

1 微生物修复机理与试验方法

基于微生物成因的混凝土缺陷修复机理是通过尿素水解、硫酸盐还原、脂肪酸发酵等微生物生化过程产生碳酸根离子，同时微生物细菌细胞膜界面处带负电荷的有机质不断吸附带正电荷的钙离子，在细菌周围就会形成具有胶凝作用的碳酸钙结晶，通过碳酸钙的不断沉积可以对混凝土缺陷进行修复[13-14]。

根据已有的研究成果，尿素水解的方式容易控制，生成碳酸钙沉淀的效率最高[15]。试验采用巴氏芽孢杆菌(编号ATCC 11859)，培养液采用ATCC1376，每升培养液含有酵母提取物20 g、10 g(NH4)2SO4、0.13 M的Tris缓冲液，营养液采用尿素、硝酸钙及氯化钙混合制成，每升营养液含有72 g N2NCONH2、141 g Ca(NO3)2、88.2 g Ca(Cl)2。实验过程选择10%的接种比例、30℃培养温度及pH=8的营养液环境对微生物进行振荡培养24 h至稳定期。

1.1 混凝土裂缝修复试验

采用150 mm×150 mm×150 mm的模具制作C30混凝土试块，设置不同对照组，第1组试块初凝后插入厚1 mm的铁片预制缝，在旁边插入铁丝制作灌注孔，在终凝后拔出养护7 d。第2组和第3组试块终凝养护7 d后切割2 mm厚的裂缝。第1组和第2组采用注射器间隔注射微生物菌液和混合钙源，每天灌注2次，连续注射1周后进行自然晾干养护。第3组在裂缝中填充60目的细砂，然后向细砂中间隔灌入微生物菌液和混合钙源，每天灌注2次，连续灌注1周后进行自然晾干养护。

图1混凝土试块制作

1.2 混凝土表面防护试验

采用150 mm×150 mm×150 mm的模具制作不同规格的C30混凝土试块，设置不同对照组，养护7 d后待用。

(1) 浸泡覆膜。将第1组混凝土试块放入烧杯中，将菌液和钙盐以2∶3比例混合后倒入烧杯直至没过试块上表面10 cm左右，静置1周后取出观察覆膜效果。

(2) 表面涂刷。将培养至稳定期的菌液，采用高速冷冻离心机于0℃～4℃、5 000 r/min、离心10 min，将菌液浓度(OD600)分别浓缩为2、5、15，将菌液和钙盐以2∶3比例混合后分别涂刷于第2组试块表面，然后于室温下晾置1周后观察覆膜效果。

(3) 固载覆膜。采用多孔载体对微生物进行保护，避免微生物与混凝土碱性环境直接接触，为微生物的生长与繁殖提供微环境。将菌液和钙盐以2：3比例混合，涂刷于第3组—第5组试块表面，分别涂刷聚氨酯、环氧树脂、硅藻土浆液进行固载，再将菌液和钙盐以2：3比例混合进行第2遍涂刷，然后于室温下晾置1周后观察覆膜效果。

1.3 混凝土粘结试验

采用8字模具制作混凝土试块，设置不同对照组，养护7 d后待用，8字模块缝隙宽约0.2 mm。

将培养至稳定期的菌液，采用高速冷冻离心机于0℃～4℃、5 000 r/min、离心10 min，将菌液浓度(OD600)分别浓缩为2、5、15，将不同浓度的菌液分别涂抹于第1组8字试块的中间缝隙处，然后绑上橡皮筋，在缝隙侧面和底面用橡皮泥封堵，从试块上面缝隙处注射混合钙源，每天注射2次，注射3 d后在室温下晾置7 d，对粘结后的试块测试其抗拉强度。将第2组8字试块15用橡皮筋绑扎，放入烧杯中，将菌液和钙盐以2∶3比例混合后倒入烧杯直至没过试块上表面10 cm左右，静置1周后取出观察粘结效果。

2 试验成果及分析

对裂缝修复前后的混凝土试块做了抗压强度试验对比，典型试验结果见表1。试验结果表明，对于1 mm宽的裂缝，灌注菌液和钙液后，缝隙中生成少量白色结晶体，但未完全填充，试样强度变化不大，对于2 mm宽的裂缝，直接灌注菌液和钙液的混合液效果不明显，试样强度变化也不大；在裂缝中填充细砂后再灌入菌液和钙液，裂缝内部产生了明显的白色结晶体，试样强度提高了73%。

表1 裂缝修复效果

混凝土覆膜试验结果(见图2)表明，浸泡覆膜的方式可以在试块表面沉积形成较厚的防护层，但是质地疏松，粘结强度不高；表面涂刷的方式可以在混凝土表面生成一层薄薄的防护层，当菌液浓度增加时，覆膜厚度略有增加；采用固载涂刷的方式为微生物提供了较好的生长与酶化条件，利用硅藻土进行固载的方式效果最好，可见有明显的白色防护层。

图2表面防护试验典型试样

对浸泡覆膜和固载覆膜的试样进行了扫描电镜分析，由图3可以看出，浸泡覆膜的试样，由微生物矿化沉积形成的结晶体尺寸最大可达200 μm，呈不规则球形，大小不均匀。由图4可以看出，固载覆膜的试样，由微生物矿化沉积形成的结晶体尺寸较小，在10 μm左右，包裹均匀致密，晶体多呈不规则柱状聚集。由图5的能谱分析可以看出，微生物结晶体的主要成分是CaCO3。

图3 浸泡覆膜的混凝土试样

图4固载涂刷的混凝土试样

对粘结后的8字混凝土试块做了抗拉强度试验对比。由图6和表2可以看出，采用在缝隙中涂抹菌液，然后再连续多次灌入钙液的方式，可以将8字试块粘结在一起，菌液浓度为5时效果最好，抗拉强度达246 kPa；而采用浸泡的方式，由于缝隙较小，菌液和钙液混合后很快生成沉淀，沉积于试块表面，难以渗入缝隙，因此粘结效果不好，抗拉强度较低。

图5 微生物结晶体能谱分析图

图6 8字混凝土试块粘结效果

3 结 论

基于微生物成因的混凝土缺陷修复技术具有绿色环保、与水泥基材相容性好等优点。通过混凝土裂缝修复试验，混凝土表面防护试验及混凝土粘结试验，结合扫描电镜分析及强度试验对比，研究了微生物修复混凝土缺陷的效果和适用范围，可以得出如下结论：

(1) 微生物芽孢尺寸较小，适合于修复宽度在200 μm以下的裂缝，对于宽度较大的裂缝，难以在菌核周围聚集结晶，建议使用细砂等骨料填充后再进行微生物灌注效果较好。

(2) 浸泡覆膜的方式形成的防护层较厚，最大结晶体尺寸为200 μm左右，但因为主要靠重力作用沉积而成，质地疏松，粘结强度小。表面涂刷的方式形成的防护层较薄，但比较均匀致密。采用载体覆膜技术，可以使微生物附着在混凝土表面生长，形成致密的防护层，而硅藻土为无毒的多孔材料，固载效果较好，比较适合作为载体材料。

(3) 在8字混凝土模块缝隙中涂抹菌液，然后再连续多次灌入钙液，可以较好的粘结试块，抗拉强度达246 kPa。

(4) 微生物修复混凝土缺陷的速度较慢，需要1周至2周时间，不适合于紧急修复情况。

[1] Gollapudi UK, Knutson CL, Bang SS, et al. A new method for controlling leaching through permeable channels[J]. Chemosphere, 1995,30(4):695-705.

[2] Jonkers H M. Self healing concrete: a biological approach[C]//An Alternative Approach to 20 Centuries of Materials Science, Springer: The Netherlands, 2007:195-204.

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[15] Whiffin V S. Microbial CaCO3Precipitation for the Production of Biocement[D]. Western Australia: Murdoch University, 2004:1-10.

ConcreteDefectRepairTechnologyBasedonMicrobialMechanism

LI Na, WANG Lijuan, LI Kai, FU ping

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China)

The effects and application range of concrete defects repair based on microbial mechanism are analyzed by several methods such as concrete crack repair test, concrete surface protection test and concrete bond test. The results indicate that the use of mineralization occurring in the process of metabolism of microorganisms induces the formation of calcium carbonate which can repair the concrete defects, which is suitable for repairing cracks under width of 200 μm. Using diatomite as a carrier, microorganisms can adhere to and grow on the surface of concrete to form a dense protective layer. Applying bacteria solution to concrete cracks can bond test block to improve the tensile strength.

microbes;mineralization;calciumcarbonate;concretedefects;repair

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.029

2017-05-26

2017-06-24

中国水科院科研专项监实验科研项目(EM0112B09201600000)

李 娜(1980—)，女，河南泌阳人，高级工程师，主要从事工程安全监测及地基基础处理的研究及应用。E-mail：lina1@iwhr.com

TU528

A

1672—1144(2017)05—0163—04