基于MICP的珊瑚砂砂浆裂缝自修复新型细菌载体

2021-09-08刘士雨刘文强蔡燕燕涂兵雄

建筑材料学报 2021年4期

刘士雨, 俞缙, 刘文强, 蔡燕燕, 涂兵雄

(1.华侨大学福建省隧道与城市地下空间工程技术研究中心, 福建厦门 361021; 2.华侨大学福建省智慧基础设施与监测重点实验室, 福建厦门 361021)

南海岛礁珊瑚砂资源丰富,用珊瑚砂作为混凝土集料可以有效缓解长途运输问题,从而降低工程成本,保证工期[1].珊瑚砂又称钙质砂,沉积过程大多未经搬运作用,保留了原生生物骨架中的细小孔隙[2],形状不规则且容易碎裂[3].珊瑚砂制成的混凝土容易开裂,会引起海水渗透和钢筋腐蚀[4].因此,珊瑚砂混凝土结构裂缝的修复是亟待解决的问题.自修复是一种提供高质量材料并具有自我修复损伤能力的新兴概念,该技术在建筑结构中的应用受到了极大的关注[5].

近年来,利用微生物诱导碳酸钙沉淀(MICP)技术来封闭和修复裂纹的可持续自愈机制已被广泛研究[6].然而,当生物制剂被直接添加到混凝土中时,细菌的生存可能会遇到障碍.Jonkers[7]研究表明,未受保护的细菌孢子寿命仅为2个月.目前采取的有效方法是用细菌载体去保护它们,已使用的细菌载体包括膨胀黏土[8]、硅藻土[9]、硅胶和聚氨酯[10]、水凝胶[11]和纤维[12]等,但这些细菌载体存在稳定性差、兼容性差、环境污染、成本高等缺点.因此,亟需一种成本较低、相容性较高、环境友好且便于施工的微生物载体.

石膏被广泛用作强度要求较高、吸水率要求较低的建筑材料[13].石膏与其他类型细菌载体相比具有以下优势：矿产资源丰富,取材方便,价格低廉;与水泥基材料有良好的兼容性;结晶后比表面积大,无毒且pH值为中性,能给微生物提供较好的生存环境;易于制作,便于施工.本文研究了利用石膏作为细菌载体的可行性及其对珊瑚砂砂浆(CSM)自修复效果的影响.

1 试验

1.1 原材料

石膏(G)为山东金信新型建材有限公司生产的β型半水石膏(CaSO4·0.5H2O);水泥(C)为福建省龙岩市三源水泥公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥;珊瑚砂(CS)取自南海,中砂.材料的主要化学组成1)见表1.珊瑚砂使用前用淡水冲洗并浸泡以达到脱盐的目的,处理后珊瑚砂中氯离子含量低于0.03%[14].细菌为德国菌种保藏中心的编号DSM33巴氏芽孢杆菌,冻干粉状菌种需要进行细菌活化,活化培养基为ATCC 1376 NH4-YE培养液.细菌培养过程中,使用去离子水以消除污染离子的影响.试验所需其他药剂均为分析纯,购自国药集团.

表1 材料的主要化学组成

1)文中涉及的组成、含量、掺量、水灰比等除特殊说明外均为质量分数或质量比.

1.2 含菌载体的制备及其最佳浓度比的确定

培养巴氏芽孢杆菌40h后,在转速4000r/min下离心处理20min,得到细菌菌泥.将其重悬于去离子水中得到细菌浓度cBL为109cells/mL的菌液(BL).取6mL菌液分别与6.0、7.2、8.4、9.6和10.8g灭菌石膏粉末在50mL离心管中搅拌混合5min,得到含菌载体(BC).在含菌载体中加入尿素和去离子水,搅拌30s后,倒入事先准备好的装有由水泥(2.5g)加去离子水配置而成的水泥悬浮液的三角瓶中,定容至100mL后放入100r/min的振荡箱中3d,测试三角瓶中尿素质量浓度的变化(Δρ(urea)),以此作为尿素的分解量来表征细菌对尿素的分解活性,从而确定含菌载体的最佳浓度比.细菌的尿素分解活性根据HJ 535—2009《水质氨氮的测定纳氏试剂分光光度法》进行测定.作为对照,将未与石膏混合的6mL细菌悬浮液直接加入到水泥悬浮液中,经过相同的程序后,测试尿素分解活性.混合物中各组分含量如表2所示,表中：ρC、ρG、ρ(urea)分别为水泥、石膏、尿素的质量浓度；混合物的pH值约为12.5,高碱性的混合物是为了模拟水泥基材料内部环境.

表2 混合物中各组分含量

1.3 CSM的制备

预试验发现珊瑚砂与水泥的质量比为750∶450时,砂浆具有较好的和易性与强度,因此选用该质量比进行CSM试样的制备.根据JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》来拌制CSM,其水灰比为0.5.CSM拌制过程为：先将等物质量的乳酸钙与尿素混合组成底物(S)，再将由含菌载体与底物组成的自修复剂(SFA)和去离子水加入搅拌机内拌和30s,按一定配合比将水泥加入搅拌机内慢速搅拌30s,接着加入珊瑚砂,慢速搅拌30s,再快速搅拌30s,停止搅拌30s,再快速搅拌60s.CSM拌制完成后,将其浇筑到直径40mm、高度10mm的模具中.成型后的试样在相对湿度RH为95%、温度为20℃的养护箱内养护24h,拆模后继续置于养护箱内养护至规定龄期,使用劈裂法制作裂缝，并通过嵌入不同直径的钢针来控制试样裂缝的宽度.

为研究不同养护方式下裂缝的自修复效果,分别采用浸水养护、循环养护和湿养护方式进行裂缝的自修复试验,这3种养护方式的条件均为：养护温度25℃,养护时间28d.浸水养护是将试样浸没在水中,并连续通入空气;湿养护是将试样放在底部浸入水中的土工布上;循环养护是将试样浸没水中1h后取出,然后在空气中暴露11h,该过程为1个循环.

为研究不同自修复剂掺量对裂缝自修复效果的影响,含菌载体掺量wBC和底物掺量ws均取0%、1.5%、3.0%、4.5%(以水泥的质量计),CSM的配合比见表3.各组试样在相对湿度RH为95%、温度为20℃的条件下养护至7d后制作裂缝,裂缝宽度为0.3mm,养护的方式为浸水养护.

表3 CSM的配合比

1.4 试验方法

1.4.1自修复效果的表征方法

自修复效果的表征方法有面积修复率法和渗透系数法.面积修复率法是通过Image-J软件对得到的裂缝图片进行分析：先把拍摄获得的原始图片转换为8bit图像,将图片降噪和调整对比度后进行二值化转换,经过阈值分割获得未被修复的裂缝图像,统计不同修复时间对应裂缝的像素点个数,就可以计算出相应修复时间裂缝的面积修复率γ.渗透系数法参考Zhang等[15]采用的装置和方法来计算试样的渗水系数k.面积修复率法能够表征裂缝表面的自修复效果,难以表征试样内部裂缝的自修复效果;而渗透系数法可以用来表征内部裂缝的自修复情况.

多因素回归分析结果(表4)表明：男性、高龄、动脉瘤部位(大脑中动脉瘤、多发动脉瘤)是动脉瘤开颅夹闭术后硬膜下并发症发生的独立危险因素(P<0.05)。

1.4.2裂缝区矿化产物分析

扫描电子显微镜(SEM)采用荷兰Phenom-Word BV公司的型号为Phenom proX的台式SEM,用溅射镀膜仪处理待测试样,试验加速电压为15kV.X射线衍射(XRD)仪为日本株式会社理学公司的SmartLab型X射线粉末衍射仪,试验参数为40kV、30mA,扫描范围为3°～60°.

1.4.3抗压和抗折强度测试

试样尺寸为40mm×40mm×160mm的棱柱体,制作好的试样在标准条件下养护28d后,根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检验方法(ISO法)》,在上海荣计达仪器科技有限公司的DYE-300S试验机上进行抗折、抗压强度测试,每组3个试样,结果取平均值.

2 结果与讨论

2.1 含菌载体最佳浓度比的确定

不同石膏质量浓度下细菌对尿素分解活性的影响见图1.由图1可见：随着石膏质量浓度ρG的增大,尿素分解量Δρ(urea)逐渐增加,说明在高碱环境下石膏对细菌起到了有效的保护作用;当石膏质量浓度从60g/L增大到96g/L时,尿素分解量从9.65g/L增加至17.21g/L;当石膏质量浓度达到96和108g/L时,细菌对尿素的分解活性均较高,且两者的数值非常接近,这说明石膏质量浓度为96g/L 时,石膏对细菌的保护作用已达到最佳.石膏对细菌的保护原理示意图见图2.由图2可见：石膏包裹在细菌细胞的外部形成保护层,从而达到在高碱性环境中保护细菌的作用；石膏质量浓度越大,细菌细胞外部的保护层越致密；当其质量浓度达到一定值时,混凝土内部的高碱性溶液已经不能渗透其保护层,此时石膏对细菌的保护作用达到最佳状态.在此基础上继续增加石膏用量,已经不能再提高这种保护效果,同时考虑到石膏增多可能给珊瑚砂水泥基材料的强度带来不利的影响,因此当细菌浓度为6×107cells/mL时,选择石膏质量浓度为96g/L来进行后续试验研究.

图1 不同石膏质量浓度下细菌对尿素分解活性的影响Fig.1 Effects of bacteria on urea decomposition activity under different gypsum concentration

图2 石膏对细菌的保护原理示意图Fig.2 Schematic diagram of the protection principle of gypsum on bacteria

2.2 自修复剂及养护方式对裂缝自修复效果的影响

2.2.1自修复剂对裂缝自修复效果的影响

浸水养护试验中,取A组试样(未掺入自修复剂)作为对照组.图3为浸水养护下A、K组试样裂缝表面自修复情况.由图3可见：掺加了自修复剂的K组试样在各个阶段的裂缝自修复效果明显优于A组试样;K组试样修复7d后裂缝基本闭合,而A组试样修复28d后裂缝仍然清晰可见.图4为A、K组试样裂缝的自修复效果.由图4(a)可见：K组试样3、7、28d 裂缝的面积修复率γ分别为50.2%、85.3%、97.2%;A组试样从3d到28d裂缝的面积修复率仅由28.7%缓慢增长到38.8%,其裂缝面积修复率的增加是由于水泥的水化作用导致的.由图4(b)可见：随着养护时间的延长，A、K组试样的渗透系数k均减小,但2组试样渗透系数减少的幅度存在较大差异,仅靠自身水化作用的A组试样对裂缝的修复能力有限,经过28d养护后渗透系数为0.117m/s,而添加了自修复剂的K组试样,渗透系数随养护时间增加明显减小,养护7d后其渗透系数接近0m/s,这说明了石膏作为细菌载体修复珊瑚砂混凝土裂缝的可行性.

图3 浸水养护下A、K组试样裂缝表面自修复情况Fig.3 Self-healing of cracks in group A and K samples under immersion curing conditions at different times

图4 A、K组试样裂缝的自修复效果Fig.4 Self-healing effects of cracks in group A and K samples

对比2种裂缝修复效果的评价方法发现,虽然面积修复率法不能直接反映裂缝内部的修复情况,但与渗透系数法所体现的修复效果趋势是一致的.渗透系数法能反映裂缝修复引起的抗渗性提升,从而间接表明试样裂缝内部的修复情况,在实验室内可以使用该方法,但在具体工程上难以进行渗水试验,而面积修复率法操作较为简单,易于收集处理数据,在实验室与现场工程中都可以使用,因此采用面积修复率法进行后续试验研究.

2.2.2养护方式对裂缝自修复效果的影响

不同养护方式下K组试样裂缝自修复效果见图5.由图5可见：3种养护方式中,浸水养护裂缝自修复效果最好,循环养护自修复效果最差,湿养护自修复效果居中.分析其原因：浸水养护在不断的通入空气的情况下进行,水促进了离子和气体在裂缝中的运移,不仅有利于细菌的矿化作用,而且还促进了水泥的水化作用,所以自修复效果最好;循环养护为浸水1h,沥水11h,虽然裂缝与空气可以充分接触,但由于裂缝中水分的快速流失,阻碍了细菌的矿化和水泥的水化作用,因此裂缝自修复效果最差;湿养护方式下,水可以通过毛细作用到达裂缝处,虽然裂缝中水分没有浸水养护充盈,但由于水对裂缝修复的促进作用,因此其自修复效果要好于循环养护.

图5 不同养护方式下K组试样裂缝的自修复效果Fig.5 Self-healing effects of cracks in group K samples under different curing methods

2.3 自修复剂配比及掺量对自修复效果的影响

不同含菌载体与底物掺量下试样裂缝的自修复效果见图6.由图6可见：对于含菌载体掺量为0%的试样,底物掺量从0%增加至4.5%时,试样裂缝的面积修复率无明显变化;对于底物掺量为0%的试样,含菌载体掺量的增加也对试样的裂缝面积修复率无明显影响.Bhaskar等[16]研究也发现了类似的试验结果,只掺入底物对试样裂缝自修复效果的提高微不足道.Xu等[17]的研究中,仅添加底物的试样自修复后裂缝内只观察到少许充填物,他们将其归因于环境中存在的少量杂菌诱导矿化作用所致.综上,单纯添加含菌载体或者底物对裂缝的自修复效果影响有限.

图6 不同含菌载体和底物掺量试样裂缝的自修复效果Fig.6 Self-healing effects of cracks with different bacterial carrier and substrate dosage

由图6还可见：当含菌载体掺量为1.5%时,底物掺量从0%增加至4.5%时,试样裂缝的面积修复率从25.1%增加至63.2%,当含菌载体掺量为3.0%和4.5%时,也发现了类似的规律,这说明当含菌载体掺量一定时,试样裂缝的自修复效果随着底物掺量的增加而增大;当底物掺量一定时,试样裂缝的自修复效果随着含菌载体掺量的增加而增大.由此可见,相同条件下,含菌载体和底物掺量的增加会促进细菌的矿化作用,生成更多的碳酸钙沉淀封堵裂缝,从而达到较好的裂缝修复效果.值得注意的是,随着含菌载体与底物掺量的增加,试样裂缝的面积修复率相对于对照试样得到有效的提高,但这种修复率的提高并不是线性的,而是在含菌载体和底物掺量均为3.0%后开始减缓.

2.4 裂缝区矿化产物分析

2.4.1SEM分析

K组试样的SEM图见图7.由图7可见：裂缝处沉淀物主要为类似于方解石的块状晶体,部分晶体呈现出球状形态,与球霰石型碳酸钙形态相近;块状晶体中存在一些孔洞.晶体中孔洞的存在体现了细菌在矿化沉积修复裂缝中的成核位点作用.

图7 K组试样的SEM图Fig.7 SEM pattern of group K sample

2.4.2XRD分析

裂缝处沉淀物的XRD图谱见图8.由图8可见：裂缝中生成的沉淀物主要是方解石和球霰石型碳酸钙,验证了SEM试验的推断结果.类似的结果在Achal等[18]的研究中也有报道.除了方解石与球霰石型碳酸钙,其他形式的碳酸钙晶型如文石在Wiktor等[19]研究中有发现,但在本试验的结果中没有观察到,这可能是由不同的生长介质成分、基质类型、pH值、温度、细菌和有机物种类等[20]造成的.

图8 裂缝处沉淀物的XRD图谱Fig.8 XRD spectrum of precipitates at crack

2.5 自修复剂对CSM抗压和抗折强度的影响

自修复剂对CSM抗压和抗折强度的影响见图9.由图9可见：随着含菌载体与底物掺量的增加,CSM的抗压强度与抗折强度均逐渐降低;当底物掺量为0%时,含菌载体掺量为3.0%时,与未掺自修复剂的A组试样相比,CSM的抗压、抗折强度分别降低了5.4%和4.8%,当含菌载体掺量提高为4.5%时,其抗压、抗折强度分别降低了16.8%和9.0%,这说明含菌载体对CSM的力学性能具有负面影响,但仅当含菌载体掺量高于3.0%时,其抗压、抗折强度才显著降低;当含菌载体掺量为0%,底物掺量高于3.0%时,CSM的抗压、抗折强度显著降低;同时添加含菌载体与底物,砂浆的力学性能进一步降低,当二者的掺量均为3.0%时,CSM的抗压、抗折强度分别降低了11.9%和8.5%.Jonkers[7]使用多孔膨胀颗粒保护微生物自修复混凝土裂缝时,自修复剂的掺入会使混凝土强度降低50%.Wang等[11]使用水凝胶载体保护微生物,发现载体的掺入会明显降低水泥基材料的力学性能,添加1%的水凝胶就会使试样的抗压强度与抗拉强度分别降低23.4%与30.0%.与上述2种载体相比,石膏作为细菌载体在保持自修复能力的同时,能够较好地维持水泥基材料的强度.由于安全原因,在实际工况下抗压强度的大幅降低是不可接受的,而含菌载体和底物的掺量在3.0%以内时,CSM的抗压强度为32MPa,在许多实际应用中是可以接受的,因此建议将含菌载体与底物的掺量均限制在不超过3.0%.此外,还可以通过加入某些功能性添加剂(例如减水剂)来提高砂浆的力学强度.