曹 輝, 臧 洋, 馮 瓊, 康開偉, 葉虎子, 茍寶霞, 劉軍君

(蘭州理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 甘肅 蘭州 730050)

混凝土是基礎(chǔ)設(shè)施的主體材料，2020年我國混凝土產(chǎn)量超過100億噸，約占全球總量的60%，是人類除水之外用量最大的材料.然而由于其脆性大、抗拉強(qiáng)度低等特點(diǎn)，在外部載荷與環(huán)境的作用下易于產(chǎn)生微小裂縫，進(jìn)而為外界侵蝕性離子、水分、氧氣、二氧化碳向混凝土內(nèi)部的傳輸擴(kuò)散提供了通道，如果不及時(shí)采取有效處理措施，將導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)早于設(shè)計(jì)壽命而發(fā)生破壞，造成巨大的安全隱患和經(jīng)濟(jì)損失[1-4].

微生物由于體積小、繁殖快、種類多，且具有將特殊營養(yǎng)物質(zhì)通過代謝、酶的水解等作用轉(zhuǎn)化為礦物沉淀的特點(diǎn)，可作為自修復(fù)劑制備具有裂縫自修復(fù)功能的水泥基材料.自Gollapudi[5]于1995年首次提出混凝土裂縫的微生物自修復(fù)方法以來，該方法受到國內(nèi)外學(xué)者廣泛關(guān)注，并針對微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積機(jī)理[6-10]、微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的影響因素[11-14]、微生物種類對裂縫修復(fù)效果的影響等方面開展了大量研究[15-18].然而，各學(xué)者對于微生物修復(fù)效果的影響因素研究結(jié)果不盡一致，錢春香等[19]研究表明，當(dāng)混凝土裂縫深度處于10 mm以下的位置時(shí)，未發(fā)現(xiàn)微生物形成的碳酸鈣；而潘建勛等[20]研究表明，在同一裂縫寬度下，修復(fù)效果隨裂縫深度出現(xiàn)了先上升后降低的趨勢，在深度為30 mm和45 mm時(shí)，修復(fù)效果優(yōu)于深度為15、60、75、90 mm.研究結(jié)果表明學(xué)者在裂縫深度對微生物修復(fù)效果影響作用方面存在差異，尤其是小尺寸裂縫深度.另外，學(xué)者關(guān)于裂縫寬度對微生物修復(fù)效果影響作用方面亦存在差異，Jonkers等[21]研究認(rèn)為，微生物自修復(fù)方法可完全修復(fù)寬度小于0.47 mm的裂縫；任立夫等[22]研究表明，裂縫寬度在0.4 mm以內(nèi)時(shí)，自修復(fù)成功率較高；而文獻(xiàn)[18]則認(rèn)為微生物自修復(fù)裂縫寬度范圍為0.13～0.76 mm.因此，有必要展開裂縫深度及寬度對微生物修復(fù)混凝土效果的影響研究.

基于此，本文設(shè)置0.2、0.3、0.6 mm三個(gè)裂縫寬度和20、30 mm兩個(gè)裂縫深度，選用巴氏芽孢桿菌微生物，借助尿素為微生物生長提供碳和氮，以氯化鈣為鈣源進(jìn)行微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積修復(fù)混凝土裂縫試驗(yàn).通過表面裂縫觀測、立方體抗壓強(qiáng)度測試、超聲波測試及沉積物微觀形貌觀測，研究巴氏芽孢桿菌對混凝土裂縫的修復(fù)效果及裂縫寬度和裂縫深度對微生物修復(fù)混凝土效果的影響，為微生物修復(fù)混凝土的工程應(yīng)用提供支撐.

1 試驗(yàn)方法

1.1 菌種及培養(yǎng)基

選用的巴氏芽孢桿菌ATCC1859菌株、即用型液體培養(yǎng)基LB肉湯和另外添加的20 g/L尿素均來自北京保藏生物技術(shù)中心.首先激活芽孢桿菌凍干粉中的菌種，然后將菌株接種到液體培養(yǎng)基中，以便在30 ℃的培養(yǎng)箱中大規(guī)模培養(yǎng)巴氏芽孢桿菌.在轉(zhuǎn)速120 r/min恒溫箱培養(yǎng)48 h后，使菌種濃度達(dá)到108Cells/cm3.本試驗(yàn)所培養(yǎng)的菌液如圖1所示.

圖1 巴氏芽孢桿菌菌液

1.2 混凝土試件的制備

選用P·O 42.5#水泥；粗骨料選用最大粒徑為19.5 mm的碎石，級配良好；細(xì)骨料選用細(xì)度模數(shù)2.9的河砂；粉煤灰為Ⅱ級灰；試驗(yàn)用水為自來水，具體混凝土配合比見表1.

根據(jù)表1制備尺寸為100 mm×100 mm×100 mm的立方體試塊;采用厚度不同，長度均為40 mm的鋼片在混凝土成型過程中制備不同深度及寬度的裂縫.裂縫位于立方體試件正中部位，裂縫的寬度及深度尺寸具體見表2.試件成型24h后拆模，然后在溫度(20±2)℃、濕度95%的環(huán)境下標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28 d開始對裂縫進(jìn)行修復(fù).

01表示無裂縫的混凝土試件，作為基準(zhǔn)樣； A1和A2表示裂縫寬度為0.2 mm，裂縫深度分別為20 mm和30 mm的帶裂縫混凝土；B1和B2表示裂縫寬度為0.3 mm，裂縫深度分別為20 mm和30 mm的帶裂縫混凝土；C1和C2表示裂縫寬度為0.6 mm，裂縫深度分別為20 mm和30 mm的帶裂縫混凝土.每種規(guī)格分別制備6個(gè)平行試件，其中3個(gè)不進(jìn)行修復(fù)，作為基準(zhǔn)試件進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試，另外3個(gè)在微生物修復(fù)前后分別進(jìn)行裂縫觀測及超聲波測試，且在裂縫修復(fù)完成后進(jìn)行立方體抗壓強(qiáng)度測試.試驗(yàn)所制備帶裂縫混凝土試件如圖2所示.

圖2 帶裂縫的混凝土試件Fig.2 Concrete specimen with crack

修復(fù)液注射前對混凝土試件裂縫進(jìn)行沖洗，確保試件的表面和裂縫清潔.使用醫(yī)用注射器將細(xì)菌液體注入裂縫中，直到裂縫被填滿為止.菌液和膠凝液的量分別為100 mL和200 mL，其中膠凝液為濃度0.5 mol/L的尿素和氯化鈣溶液.每次修復(fù)后將試件放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，每隔4 h注入一次，直到修復(fù)液沉淀完全封堵裂縫，然后終止試驗(yàn).之后將修復(fù)后的試件放入水中養(yǎng)護(hù)14 d，并保持裂縫處于開放狀態(tài)，以便氧氣和二氧化碳通過大氣界面自由運(yùn)輸和擴(kuò)散，進(jìn)而保證微生物的有效鈣化.修復(fù)過程中的中混凝土試件如圖3所示.

圖3 微生物修復(fù)過程中混凝土試件

采用混凝土裂縫綜合觀測儀觀測不同規(guī)格裂縫混凝土試件修復(fù)前后裂縫寬度并記錄；采用混凝土超聲波測定儀測試不同規(guī)格裂縫混凝土試件修復(fù)前后波速，并計(jì)算其相對動(dòng)彈性模量；采用電液式壓力試驗(yàn)機(jī)測試修復(fù)前后混凝土試件強(qiáng)度；試驗(yàn)結(jié)束后，采用切割機(jī)將裂縫部分整體取出，觀察裂縫內(nèi)部微生物沉積情況，然后取其中一個(gè)斷面，采用掃描電鏡(SEM)觀測裂縫沉積物的微觀形貌，并結(jié)合EDS確定其組成.

2 結(jié)果與分析

2.1 裂縫修復(fù)效果宏觀形貌分析

試件成型24 h拆模后，采用混凝土裂縫觀測儀對實(shí)驗(yàn)所制備裂縫實(shí)際寬度進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖4a、圖5a和圖6a所示.

圖4 0.6 mm寬度裂縫修復(fù)前后對比Fig.4 Comparison before and after repair of 0.6 mm crack

圖5 0.3 mm寬度裂縫修復(fù)前后對比Fig.5 Comparison before and after repair of 0.3 mm crack

圖6 0.21 mm寬度裂縫修復(fù)前后對比Fig.6 Comparison before and after repair of 0.21 mm crack

由圖可知，實(shí)驗(yàn)所制備裂縫實(shí)際寬度分別為0.6、0.3、0.21 mm，裂縫制備效果較好，與設(shè)計(jì)值基本一致;但設(shè)計(jì)值0.2 mm裂縫試件實(shí)測值與設(shè)計(jì)值存在較小偏差，故文中后續(xù)分析均以實(shí)測值0.21 mm為準(zhǔn).經(jīng)巴氏芽孢桿菌修復(fù)并在水中養(yǎng)護(hù)14 d后，再次對試件表面裂縫進(jìn)行觀測，結(jié)果如圖4b、圖5b和圖6b所示.由圖可知，0.6、0.3、0.21 mm裂縫表觀均得到有效修復(fù)，在裂縫觀測儀下未能觀測到明顯可見裂縫，由此可初步判斷巴氏芽孢桿菌可有效修復(fù)混凝土裂縫.

2.2 裂縫修復(fù)效果宏觀性能研究

在裂縫修復(fù)前后對試件進(jìn)行力學(xué)性能及超聲波波速測試.為定量評價(jià)裂縫修復(fù)效果，需要將測試所得的超聲波聲速轉(zhuǎn)換為相對動(dòng)彈性模量.根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗(yàn)方法》中相關(guān)規(guī)定[23]，混凝土超聲波聲速與相對動(dòng)彈模量Er之間轉(zhuǎn)換關(guān)系如式(1)所示.

(1)

式中：E0為裂縫修復(fù)前的動(dòng)彈性模量；v0為裂縫修復(fù)前的超聲波聲速；Et為裂縫修復(fù)后的動(dòng)彈性模量；vt為裂縫修復(fù)后的超聲波聲速.Er為相對動(dòng)彈模量.當(dāng)Er>1時(shí)，認(rèn)為裂縫得到修復(fù)，且Er越大，修復(fù)效果越好.

最后，通過力學(xué)性能測試結(jié)果與相對動(dòng)彈性模量計(jì)算結(jié)果綜合評價(jià)修復(fù)效果，其中力學(xué)性能測試結(jié)果如圖7所示，相對動(dòng)彈性模量測試結(jié)果如圖8所示.

圖7 試件修復(fù)前后力學(xué)性能對比

圖8 修復(fù)試件相對動(dòng)彈性模量對比Fig.8 Comparison of dynamic elastic modulus of specimens before and after repair

由圖7a可以看出，裂縫深度為20 mm，裂縫寬度分別為0.21、0.3、0.6 mm的試件經(jīng)巴氏芽孢桿菌修復(fù)后其抗壓強(qiáng)度均得到了提高，其提高率分別13.7%、12.3%和10.1%，對比可知，裂縫寬度為0.21 mm的試件，其修復(fù)后抗壓強(qiáng)度提高率最大，即修復(fù)效果最好.由圖7b可以看出，裂縫深度為30 mm，裂縫寬度分別為0.21、0.3、0.6 mm的帶裂縫試件經(jīng)巴氏芽孢桿菌修復(fù)后其抗壓強(qiáng)度同樣得到了提高，其提高率分別11.9%、10.5%和8.1%，對比可知，裂縫寬度為0.21 mm的試件，其修復(fù)后抗壓強(qiáng)度提高率最大，即修復(fù)效果最好，與裂縫深度為20 mm的結(jié)果一致.分析認(rèn)為，其主要原因在于裂縫寬度較小時(shí)，沉積的碳酸鈣能較為密實(shí)地填充在裂縫中，而當(dāng)寬度較大時(shí)，不利于裂縫內(nèi)壁對碳酸鈣晶體的“捕捉”，導(dǎo)致修復(fù)效果較差[20,22,24].綜合判斷，巴氏芽孢桿菌對混凝土表面裂縫有較好的修復(fù)效果，與裂縫觀測結(jié)果相吻合.

同時(shí)，對比圖8a和圖8b的測試結(jié)果可初步判斷，裂縫深度為20 mm時(shí)，巴氏芽孢桿菌修復(fù)整體效果優(yōu)于裂縫深度為30 mm時(shí).分析認(rèn)為，其原因可能在于裂縫深度較大時(shí)，修復(fù)液難以在內(nèi)部充分填充，且微生物的礦化作用需要合適的環(huán)境條件，裂縫表面的氧氣含量較高，為微生物的礦化提供了有利條件，而隨著裂縫深度的增加，氧氣供給量逐漸減少，不利于微生物的生長，相應(yīng)微生物礦化程度也隨之降低[25].

2.3 微觀形貌及機(jī)理分析

試驗(yàn)結(jié)束后，切取裂縫深度為20 mm，裂縫寬度分別為0.21 mm和0.6 mm試件裂縫內(nèi)部微生物沉積部分，借助SEM觀測裂縫沉積物的微觀形貌，并結(jié)合EDS確定其組成，進(jìn)一步表征裂縫修復(fù)效果，表征結(jié)果分別如圖9和圖10所示.

圖9 0.21 mm裂縫內(nèi)部沉積物Fig.9 Sediment of 0.21 mm crack

圖10 0.6 mm裂縫內(nèi)部沉積物Fig.10 Sediment of 0.6 mm crack

由圖9a可看出，0.21 mm裂縫內(nèi)部沉積物主要為球狀物聚集體，結(jié)合圖9b可知，該類顆粒狀物質(zhì)主要由Ca、C、O元素構(gòu)成，由此可綜合判斷，該類顆粒狀物質(zhì)為CaCO3.

細(xì)菌誘導(dǎo)沉積CaCO3本身是一個(gè)復(fù)雜的過程，結(jié)合上述測試結(jié)果及文獻(xiàn)，裂縫內(nèi)部沉積物CaCO3的形成機(jī)理可以大致分為以下步驟[25]：

(1)

(2)

(3)

首先，通過細(xì)菌有氧呼吸代謝底物或者其他有機(jī)碳源產(chǎn)生CO2，同時(shí)，細(xì)菌在生長繁殖過程中營造了堿性環(huán)境.其次，產(chǎn)生的CO2與溶液中的OH-反應(yīng)生成HCO3-.最后，在堿性環(huán)境下，水泥漿中的Ca2+與HCO3-繼續(xù)反應(yīng)生成CaCO3.

3 結(jié)論

1) 巴氏芽孢桿菌可有效修復(fù)混凝土表面裂縫；

2) 隨著裂縫深度的增加，巴氏芽孢桿菌對其修復(fù)效果變差，主要原因在于裂縫表面的氧氣含量較高，為微生物的礦化提供了更有利的條件；

3) 修復(fù)后裂縫內(nèi)部沉積物主要為CaCO3，0.21 mm裂縫內(nèi)部CaCO3呈顆粒狀，而0.6 mm裂縫內(nèi)部CaCO3主要呈六面體狀，即隨著裂縫寬度的增大，微生物在裂縫內(nèi)部的礦化效果減弱.

致謝：本文得到蘭州理工大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(DC2020210)的資助，在此表示感謝.