微生物作用下混凝土裂缝修复效果试验研究

2022-09-05康开伟叶虎子苟宝霞刘军君

兰州理工大学学报 2022年4期

曹辉, 臧洋, 冯琼, 康开伟, 叶虎子, 苟宝霞, 刘军君

(兰州理工大学土木工程学院, 甘肃兰州 730050)

混凝土是基础设施的主体材料，2020年我国混凝土产量超过100亿吨，约占全球总量的60%，是人类除水之外用量最大的材料.然而由于其脆性大、抗拉强度低等特点，在外部载荷与环境的作用下易于产生微小裂缝，进而为外界侵蚀性离子、水分、氧气、二氧化碳向混凝土内部的传输扩散提供了通道，如果不及时采取有效处理措施，将导致混凝土结构早于设计寿命而发生破坏，造成巨大的安全隐患和经济损失[1-4].

微生物由于体积小、繁殖快、种类多，且具有将特殊营养物质通过代谢、酶的水解等作用转化为矿物沉淀的特点，可作为自修复剂制备具有裂缝自修复功能的水泥基材料.自Gollapudi[5]于1995年首次提出混凝土裂缝的微生物自修复方法以来，该方法受到国内外学者广泛关注，并针对微生物诱导碳酸钙沉积机理[6-10]、微生物诱导碳酸钙沉积的影响因素[11-14]、微生物种类对裂缝修复效果的影响等方面开展了大量研究[15-18].然而，各学者对于微生物修复效果的影响因素研究结果不尽一致，钱春香等[19]研究表明，当混凝土裂缝深度处于10 mm以下的位置时，未发现微生物形成的碳酸钙；而潘建勋等[20]研究表明，在同一裂缝宽度下，修复效果随裂缝深度出现了先上升后降低的趋势，在深度为30 mm和45 mm时，修复效果优于深度为15、60、75、90 mm.研究结果表明学者在裂缝深度对微生物修复效果影响作用方面存在差异，尤其是小尺寸裂缝深度.另外，学者关于裂缝宽度对微生物修复效果影响作用方面亦存在差异，Jonkers等[21]研究认为，微生物自修复方法可完全修复宽度小于0.47 mm的裂缝；任立夫等[22]研究表明，裂缝宽度在0.4 mm以内时，自修复成功率较高；而文献[18]则认为微生物自修复裂缝宽度范围为0.13～0.76 mm.因此，有必要展开裂缝深度及宽度对微生物修复混凝土效果的影响研究.

基于此，本文设置0.2、0.3、0.6 mm三个裂缝宽度和20、30 mm两个裂缝深度，选用巴氏芽孢杆菌微生物，借助尿素为微生物生长提供碳和氮，以氯化钙为钙源进行微生物诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝试验.通过表面裂缝观测、立方体抗压强度测试、超声波测试及沉积物微观形貌观测，研究巴氏芽孢杆菌对混凝土裂缝的修复效果及裂缝宽度和裂缝深度对微生物修复混凝土效果的影响，为微生物修复混凝土的工程应用提供支撑.

1 试验方法

1.1 菌种及培养基

选用的巴氏芽孢杆菌ATCC1859菌株、即用型液体培养基LB肉汤和另外添加的20 g/L尿素均来自北京保藏生物技术中心.首先激活芽孢杆菌冻干粉中的菌种，然后将菌株接种到液体培养基中，以便在30 ℃的培养箱中大规模培养巴氏芽孢杆菌.在转速120 r/min恒温箱培养48 h后，使菌种浓度达到108Cells/cm3.本试验所培养的菌液如图1所示.

图1 巴氏芽孢杆菌菌液

1.2 混凝土试件的制备

选用P·O 42.5#水泥；粗骨料选用最大粒径为19.5 mm的碎石，级配良好；细骨料选用细度模数2.9的河砂；粉煤灰为Ⅱ级灰；试验用水为自来水，具体混凝土配合比见表1.

根据表1制备尺寸为100 mm×100 mm×100 mm的立方体试块;采用厚度不同，长度均为40 mm的钢片在混凝土成型过程中制备不同深度及宽度的裂缝.裂缝位于立方体试件正中部位，裂缝的宽度及深度尺寸具体见表2.试件成型24h后拆模，然后在温度(20±2)℃、湿度95%的环境下标准养护至28 d开始对裂缝进行修复.

01表示无裂缝的混凝土试件，作为基准样； A1和A2表示裂缝宽度为0.2 mm，裂缝深度分别为20 mm和30 mm的带裂缝混凝土；B1和B2表示裂缝宽度为0.3 mm，裂缝深度分别为20 mm和30 mm的带裂缝混凝土；C1和C2表示裂缝宽度为0.6 mm，裂缝深度分别为20 mm和30 mm的带裂缝混凝土.每种规格分别制备6个平行试件，其中3个不进行修复，作为基准试件进行立方体抗压强度测试，另外3个在微生物修复前后分别进行裂缝观测及超声波测试，且在裂缝修复完成后进行立方体抗压强度测试.试验所制备带裂缝混凝土试件如图2所示.

图2 带裂缝的混凝土试件Fig.2 Concrete specimen with crack

修复液注射前对混凝土试件裂缝进行冲洗，确保试件的表面和裂缝清洁.使用医用注射器将细菌液体注入裂缝中，直到裂缝被填满为止.菌液和胶凝液的量分别为100 mL和200 mL，其中胶凝液为浓度0.5 mol/L的尿素和氯化钙溶液.每次修复后将试件放入标准养护室进行养护，每隔4 h注入一次，直到修复液沉淀完全封堵裂缝，然后终止试验.之后将修复后的试件放入水中养护14 d，并保持裂缝处于开放状态，以便氧气和二氧化碳通过大气界面自由运输和扩散，进而保证微生物的有效钙化.修复过程中的中混凝土试件如图3所示.

图3 微生物修复过程中混凝土试件

采用混凝土裂缝综合观测仪观测不同规格裂缝混凝土试件修复前后裂缝宽度并记录；采用混凝土超声波测定仪测试不同规格裂缝混凝土试件修复前后波速，并计算其相对动弹性模量；采用电液式压力试验机测试修复前后混凝土试件强度；试验结束后，采用切割机将裂缝部分整体取出，观察裂缝内部微生物沉积情况，然后取其中一个断面，采用扫描电镜(SEM)观测裂缝沉积物的微观形貌，并结合EDS确定其组成.

2 结果与分析

2.1 裂缝修复效果宏观形貌分析

试件成型24 h拆模后，采用混凝土裂缝观测仪对实验所制备裂缝实际宽度进行观测，结果如图4a、图5a和图6a所示.

图4 0.6 mm宽度裂缝修复前后对比Fig.4 Comparison before and after repair of 0.6 mm crack

图5 0.3 mm宽度裂缝修复前后对比Fig.5 Comparison before and after repair of 0.3 mm crack

图6 0.21 mm宽度裂缝修复前后对比Fig.6 Comparison before and after repair of 0.21 mm crack

由图可知，实验所制备裂缝实际宽度分别为0.6、0.3、0.21 mm，裂缝制备效果较好，与设计值基本一致;但设计值0.2 mm裂缝试件实测值与设计值存在较小偏差，故文中后续分析均以实测值0.21 mm为准.经巴氏芽孢杆菌修复并在水中养护14 d后，再次对试件表面裂缝进行观测，结果如图4b、图5b和图6b所示.由图可知，0.6、0.3、0.21 mm裂缝表观均得到有效修复，在裂缝观测仪下未能观测到明显可见裂缝，由此可初步判断巴氏芽孢杆菌可有效修复混凝土裂缝.

2.2 裂缝修复效果宏观性能研究

在裂缝修复前后对试件进行力学性能及超声波波速测试.为定量评价裂缝修复效果，需要将测试所得的超声波声速转换为相对动弹性模量.根据《普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法》中相关规定[23]，混凝土超声波声速与相对动弹模量Er之间转换关系如式(1)所示.

(1)

式中：E0为裂缝修复前的动弹性模量；v0为裂缝修复前的超声波声速；Et为裂缝修复后的动弹性模量；vt为裂缝修复后的超声波声速.Er为相对动弹模量.当Er>1时，认为裂缝得到修复，且Er越大，修复效果越好.

最后，通过力学性能测试结果与相对动弹性模量计算结果综合评价修复效果，其中力学性能测试结果如图7所示，相对动弹性模量测试结果如图8所示.

图7 试件修复前后力学性能对比

图8 修复试件相对动弹性模量对比Fig.8 Comparison of dynamic elastic modulus of specimens before and after repair

由图7a可以看出，裂缝深度为20 mm，裂缝宽度分别为0.21、0.3、0.6 mm的试件经巴氏芽孢杆菌修复后其抗压强度均得到了提高，其提高率分别13.7%、12.3%和10.1%，对比可知，裂缝宽度为0.21 mm的试件，其修复后抗压强度提高率最大，即修复效果最好.由图7b可以看出，裂缝深度为30 mm，裂缝宽度分别为0.21、0.3、0.6 mm的带裂缝试件经巴氏芽孢杆菌修复后其抗压强度同样得到了提高，其提高率分别11.9%、10.5%和8.1%，对比可知，裂缝宽度为0.21 mm的试件，其修复后抗压强度提高率最大，即修复效果最好，与裂缝深度为20 mm的结果一致.分析认为，其主要原因在于裂缝宽度较小时，沉积的碳酸钙能较为密实地填充在裂缝中，而当宽度较大时，不利于裂缝内壁对碳酸钙晶体的“捕捉”，导致修复效果较差[20,22,24].综合判断，巴氏芽孢杆菌对混凝土表面裂缝有较好的修复效果，与裂缝观测结果相吻合.

同时，对比图8a和图8b的测试结果可初步判断，裂缝深度为20 mm时，巴氏芽孢杆菌修复整体效果优于裂缝深度为30 mm时.分析认为，其原因可能在于裂缝深度较大时，修复液难以在内部充分填充，且微生物的矿化作用需要合适的环境条件，裂缝表面的氧气含量较高，为微生物的矿化提供了有利条件，而随着裂缝深度的增加，氧气供给量逐渐减少，不利于微生物的生长，相应微生物矿化程度也随之降低[25].