微生物新型裂缝自修复混凝土技术

原标题： 微生物新型裂缝自修复混凝土技术

作   者： 砼友服务

基于科式芽孢杆菌矿化沉积的混凝土裂缝自修复性能试验研究

【作者】李珠；冯涛；周梦君；张家广；赵林；周爱娟；

【机构】太原理工大学建筑与土木工程学院;太原理工大学环境工程学院；

【摘要】 混凝土材料具有脆性大、抗拉强度较低等特点,导致其内部或表面难以避免出现微裂缝。基于微生物矿化沉积的裂缝自修复技术能够有效地实现混凝土裂缝的自诊断和自修复。以具有嗜碱特性的科式芽孢杆菌为自修复剂,以膨胀珍珠岩为修复剂载体,研制出一种新型裂缝自修复混凝土。分别对普通混凝土、采用直接掺菌的混凝土和研制的自修复混凝土的裂缝自修复能力进行试验研究。试验结果表明,在裂缝修复早期,裂缝内表面未水化胶凝材料的水化反应致使裂缝宽度小于0.2 mm的普通混凝土试件具有较好的自修复能力;随着裂缝修复时间的增长,基于科式芽孢杆菌矿化沉积的混凝土试件具有更优异的自修复能力,水中养护28 d后研制的自修复混凝土最大修复裂缝宽度可达0.56 mm。研究结果可为混凝土裂缝自修复技术研究提供技术支持和依据。 更多还原

【关键词】 混凝土;裂缝自修复;好氧微生物;矿化沉积;膨胀珍珠岩；

0引言

由于具有价格低廉、耐久性好、抗压强度较高等特点，混凝土成为土木工程领域用途最为广泛、用量最大的一种建筑材料。然而混凝土属于非匀质各向异性材料，脆性大，抗拉强度较低，在使用过程中由于变形、老化、腐蚀等不利因素的影响，容易产生损伤积累，从而产生微裂缝。微裂缝不仅会降低混凝土的整体性，而且为腐蚀性物质提供了通道，腐蚀性物质的进入导致混凝土耐久性降低，甚至可能导致钢筋发生腐蚀，致使结构构件发生破坏，造成难以挽回的经济损失和人员伤亡[1-3]。

在混凝土结构的设计使用年限内，为满足结构的使用功能以及保证结构具备足够的力学性能和耐久性能，需及时对结构进行检测和修复。当前混凝土裂缝主要的修复方法为事后修复或者定时修复，然而这种被动、有计划的修复方式需要消耗大量人力物力，并且对于细小裂缝的修复仍具有较大的难度。作为一种新颖的混凝土裂缝修复技术，与其他类型修复技术相比，基于好氧微生物矿化沉积的裂缝自修复技术具有以下突出优点：1)能够实现混凝土的裂缝自诊断与自修复;2)微生物修复的矿化沉积产物为碳酸钙，与混凝土材料有较好的相容性;3)自修复过程中不产生对人体有害的氨气，符合绿色和环保的理念。

Jonkers等[5]首先将嗜碱芽孢杆菌和乳酸钙直接掺入混凝土中，试验结果表明水泥基材料不断进行的水合作用导致基体的孔隙直径逐渐减小，影响了芽孢杆菌的生存空间，导致成活的杆菌数量逐渐减少，杆菌存活数量在一个月内降低90%以上。在此基础上，Jonkers等[6]将把芽孢杆菌和乳酸钙首先封装在陶粒中，然后加入到混凝土中，试验结果表明陶粒延长了杆菌在混凝土中的成活寿命，显著提高了微生物混凝土的裂缝自修复能力。WasimKhaliq等[7]以不同载体固载枯草芽孢杆菌进行裂缝自修复试验研究，研究结果表明以轻骨料为载体时混凝土的修复效果较为稳定。以上研究表明，为避免混凝土中微生物成活数量显著地降低，需要为修复剂选择一种合适的载体，为微生物存活提供足够的生存空间，并保护微生物免受混凝土高碱环境的侵害。

基于课题组前期对玻化微珠保温混凝土力学性能的研究成果[8-9]，本文以好氧微生物为自修复剂，以膨胀珍珠岩为修复剂载体，研制一种新型的裂缝自修复混凝土，并采用裂缝修复宽度测试考察该混凝土的裂缝自修复能力，为混凝土裂缝自修复技术研究提供依据。

1 混凝土裂缝自修复原理

本文以膨胀珍珠岩作为嗜碱微生物的载体，以乳酸钙为营养物质研制一种具有自修复能力的仿生混凝土。嗜碱微生物采用科氏芽孢杆菌(Bacillus cohnii)，在生存环境较差，如干燥、缺氧时，该芽孢杆菌会以孢子的形态休眠，可以长期在混凝土中存活[10]。膨胀珍珠岩是珍珠岩矿砂经预热，瞬时高温焙烧膨胀后制成的一种表面为开放孔、内部为蜂窝状结构的白色颗粒状的材料。膨胀珍珠岩具有高孔隙率，质地较脆、价格低廉的特点。以膨胀珍珠岩为微生物修复剂的载体，膨胀珍珠岩不仅可以均匀地分布在混凝土材料中，而且它的高吸水率特性使得好氧微生物在混凝土出现裂缝后更容易接触水分和空气，从而提高混凝土裂缝的自修复效率。

生物体具有损伤自修复的功能，生物体在受损伤时，伤口附近会有血液流出，形成血凝块，初步将裂口连接。如图1所示，本文研制的仿生混凝土裂缝自修复原理为：当混凝土基体出现微裂缝后，裂缝的扩展致使裂缝部位附近的膨胀珍珠岩颗粒发生破裂，水与氧气进入导致裂缝后载体内处于休眠状态的芽孢杆菌孢子苏醒，恢复代谢功能，与混凝土基体中的营养物质发生化学反应或生物代谢反应，形成碳酸钙沉淀填充裂缝，达到修复裂缝的目的。微生物的存在，不仅可以促使矿物的生成，同时可以为矿物的沉积提供成核地点。

2 实验概况

2.1微生物的培养与载体制备

嗜碱微生物采用科式芽孢杆菌，按照常规的好氧微生物接种、培养方法，利用液体培养基对芽孢杆菌进行大量培养，所用培养基成分为：超纯水1L、蛋白胨5g、牛肉膏3g、NaHCO30.42g、NaCO20.53g。将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，在30℃，120rmin转速下恒温培养24h，得到含芽孢杆菌的菌液。将培养所得菌液用蒸馏水稀释至OD600值为0.40，并利用真空浸渍法，将稀释好的菌液采用真空法在-0.06MPa压力下吸附在膨胀珍珠岩颗粒内部，吸附时间为15min。最后用烘箱将真空吸附后的膨胀珍珠岩在45℃环境下烘干至恒重。

混凝土搅拌和振捣过程中可能导致膨胀珍珠岩颗粒发生破裂，并且拌合水也可能致使载体吸附的乳酸钙溶解以及菌体扩散至其它部位。因此，在制备混凝土前，应对膨胀珍珠岩颗粒表面进行包裹。为了保证包裹处理后的珍珠岩有足够的脆性并且与混凝土基材有很好的粘结性，采用偏高岭土与硅酸钠溶液混合后所得浆体对轻骨料进行外包裹处理。外包裹材料组成成分为：硅酸钠溶液:偏高岭土1:1。配置好外包裹浆体后，利用喷枪，将上述混合液喷洒至轻骨料表面。图2所示为外包裹处理前后的膨胀珍珠岩颗粒对比图，从图中可以看出，经包裹处理后膨胀珍珠岩颗粒表面颜色由包裹前的白色转变为灰色。

采用的膨胀珍珠岩购买自河南省信阳市某珍珠岩生产公司，堆积密度为125 kgm3，按照轻集料及其试验方法，测得的包裹前膨胀珍珠岩24h吸水率为260%，包裹后膨胀珍珠岩24h吸水率为35%，外包裹显著地降低了膨胀珍珠岩的吸水率。

2.2配合比和试块制作

自修复混凝土配合比设计如表1所示，N-C、D-C、B-C分别代表普通混凝土、采用直接掺菌的混凝土、以膨胀珍珠岩为载体的自修复混凝土。混凝土的组成成分中，科氏芽孢杆菌购买自北京豫鼎鑫捷科技有限公司;太原市狮头水泥厂生产的 42.5 级普通硅酸盐水泥;普通河砂，细度模数为2.4，堆积密度1460kgm3;粗骨料为碎石，最大粒径20mm，堆积密度1600kgm3;聚羧酸系高效减水剂;水除特殊说明外均采用自来水。试验所采用的试件为150×150×300mm的棱柱体，混凝土制备采用手工搅拌。混凝土试件成型静置24h后脱模，脱模后在室温下浸水养护28d。

2.3试验方法

利用200T压力实验机对养护28d(第一阶段养护)后的混凝土试块加载和制造裂缝。加载过程中，首先以11.25kNs的速度加载至轴心抗压强度的23，然后调节加载速度为2kNs加载至轴心抗压强度的34，最后以0.1kNs的速度加载至肉眼可见的裂缝，持荷1min，卸载。为了对出现裂缝的混凝土试块裂缝修复效果进行量化分析，沿裂缝每1.0cm设置一个裂缝宽度观测点，并用红色标记笔标记。将标记完毕的混凝土试块放置水中进行修复养护(第二阶段养护)，分别在水中养护0d、3d、7d、14d、28d后对标记点处进行裂缝宽度测量。各混凝土裂缝观测点的自修复能力采用裂缝修复率来表征，裂缝修复率计算公式如下：

(1)

式中，k0表示裂缝的初始宽度，kt表示t时间测量时裂缝的宽度。

3 主要实验结果以及分析

3.1裂缝修复效果表观分析

图3表示为水中养护0天和28天后B-C、D-C与N-C试件裂缝修复图。从图3e)和图3f)可以看出，B-C试件裂缝内部的白色物质为CBEP，混凝土裂缝产生后，处于裂缝部位的CBEP也发生开裂，致使CBEP吸附的自修复剂可以暴露在裂缝表面，自修复剂与氧气和水分接触后，孢子开始苏醒并进行代谢功能从而修复裂缝。

从图3中可以看出，B-C和D-C试件在预压裂缝并水中养护28d后，表面裂缝基本上被碳酸钙沉积填充，较好地实现了裂缝自修复效果;B-C试件的裂缝被颗粒状的晶体堆积填充，裂缝修复的连续性好，且晶体较为饱满，有向外膨胀、突出的趋势;相比B-C试块，D-C试件表面裂缝内部结晶数量较少、不够饱满，且D-C试件裂缝的修复连续性相比B-C较差。对于对照组N-C试件表面，裂缝仅被部分填充，裂缝内部晶体松散、不密实，整体修复效果较差。从图3中试件表面裂缝宽度量测结果可以看出，和N-C试件表面修复的裂缝宽度分别达到0.56mm、0.30mm和0.15mm，B-C试件和D-C试件表面修复的宽度分别是N-C试件表面修复的裂缝宽度的3.7倍和2倍。

3.2 修复能力量化分析

对混凝土试块中裂缝的修复效果进行量化处理，可以更直观地表征混凝土的裂缝修复能力。试验中分别在B-C、D-C、N-C试件表面较为明显的裂缝部位取20个测量点，测量点共计60个，并达到规定的养护时间时对裂缝宽度进行测量，测试结果如图4所示。从图4a)中可以看出，当修复养护时间达到3天时，N-C与D-C试件对于宽度为0.1mm-0.2mm的裂缝比B-C试件有更好的修复效果，这可能是由于N-C与D-C试件混凝土裂缝内未水化的胶凝材料进行水化作用，生成C-S-H等水化产物对裂缝进行了填充。而B-C试件由于膨胀珍珠岩的掺入，使得试块裂缝内表面外露的水泥基质面积相对小得多，可供水化反应的未水化胶凝材料较少，因此在修复养护早期，虽然试件表面裂缝得到了不同程度的修复，但修复效果相对较差。

从图4b)-4d)中可以看出，随着修复时间的增长，B-C与D-C试件裂缝修复能力明显提高，当修复养护时间达到14d时，B-C、D-C试件各测宽点的裂缝修复率达到了60%以上，而N-C试件由于裂缝处胶凝材料的水化作用减弱，裂缝修复效果呈明显的减弱趋势。当修复养护时间达到28天后，B-C试件测宽点处的裂缝修复能力最强，完全修复点数量为18个，并且最大修复宽度达到0.56mm，大于D-C试件的最大修复宽度0.45mm，是N-C试件最大修复宽度0.25mm的2.2倍。尽管B-C试件仍有2个测宽点没有完全修复，但修复率达到了60%。D-C试件完全修复的测宽点数量为14个，修复效果相比B-C试件差。N-C试件完全修复的测宽点数量为10，修复宽度主要集中在0.1mm-0.2mm之间，裂缝修复效果最差。上述结果表明，采用的科式芽孢杆菌可以有效地将混凝土中的乳酸钙矿化为碳酸钙沉积，从而显著地提高了混凝土的裂缝修复能力;膨胀珍珠岩载体能够为科式芽孢杆菌修复剂提供良好的保护作用，菌体的存活率得到显著提高，进而显著地提高了混凝土的裂缝自修复能力。

4结论

本文通过对普通混凝土、采用直接掺菌的混凝土、以膨胀珍珠岩为修复剂载体的混凝土的自修复性能试验研究，得到了如下主要结论：

(1)在修复养护早期，未水化胶凝材料的水化反应使得普通混凝土具有较好的裂缝自修复能力，但随着修复时间的增长，基于好氧微生物矿化沉积的混凝土的裂缝修复能力明显提高。

(2)科式芽孢杆菌矿化沉积可以有效地提高混凝土的裂缝自修复能力，28d修复养护后以膨胀珍珠岩为修复剂载体的混凝土最大修复宽度达到了0.56mm，为普通混凝土最大修复宽度的2.2倍。

(3)膨胀珍珠岩载体能够为好氧微生物提供良好的保护作用，提高了科式芽孢杆菌的存活率，显著地提高了混凝土的裂缝自修复效果。

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