微生物沉積碳酸鈣封堵混凝土裂縫的試驗研究

賈 強， 姜 歡， 張 鑫

(1.山東建筑大學 土木工程學院， 山東 濟南 250100； 2.華潤置地(山東)發展有限公司， 山東 濟南 250100)

混凝土結構的滲漏問題在土木和水利工程中無法避免且處理困難.傳統的有機堵漏材料，如環氧類樹脂、聚合物砂漿和高分子灌漿材料等黏性較高，在裂縫中的滲透深度有限，只能封堵較寬、深度不大的裂縫，且其抗老化性能以及與水泥基材料的相容性差.微生物封堵技術在此情況下應運而生.該新型材料固化前黏性很低，可借助負壓滲透到裂縫深處.微生物封堵技術不僅可利用微生物沉積礦物質達到封堵的效果，而且能夠自動找到滲漏處位置進行有效防滲，可起到探查和封堵二合一的作用.另外，利用微生物誘導沉積生成的方解石性質穩定，與混凝土材料的結合性好[1].

1973年，Boquet等[3]發現自然界中有些微生物能夠利用自身的生命活動誘導CaCO3沉積.此后該技術不僅用于修復水泥基表面缺陷，還用于固砂和加固地基等.Maaike等[4]向裝滿砂的PVC管中灌注營養物質，使管中央隔板上的小孔得到封堵.王劍云等[5-6]以瓊脂為載體，將菌株、營養鹽和鈣源涂刷在有缺陷的水泥石表面，形成了1層致密的不透水層，使水泥石吸水率降低到試驗前的15%以下.彭裕生等[7]利用巴斯德芽孢桿菌、尿素和CaCl2溶液封堵人造巖芯裂縫，試驗表明在較寬裂縫內先填注砂或石英粉，再用細菌堵塞裂縫的措施非常有效.Zhang等[8]針對有滲漏孔的砂柱分別灌入普通馬鈴薯液和含硫酸亞鐵的馬鈴薯液，進行封堵對比試驗，發現上述2種方式均出現較明顯的封堵現象，單位時間內的滲漏流量顯著降低.賈強等[9-10]利用巴氏芽孢桿菌產生的CaCO3沉積對混凝土豎向裂縫進行封堵.總體而言，以上研究并未針對裂縫的寬度、深度等影響封堵效果的主要因素開展系統性研究，封堵機理尚不明確.本文針對微生物沉積CaCO3封堵混凝土水平裂縫進行了試驗研究，以期為該技術的推廣和應用提供理論支持.

1 菌種培養

試驗選用巴氏芽孢桿菌(Bacillus pasteurii).其培養基為20g/L酵母提取物、10g/L硫酸銨、2g/L氫氧化鈉(pH=9)和10μmol/L氯化鎳；培養過程包括高溫滅菌、接種，恒溫振蕩培養箱內培養，檢驗菌液所含酶的活性以及取出菌液4個步驟；菌液培養時間設定為20h，溫度設定為30℃.為保證供給細菌充足的氧氣，振蕩床轉速為210r/min.每次可培養1.6L菌液供試驗用.

利用電導率儀檢測菌液的酶活性，其基本原理是：巴氏芽孢桿菌產生的尿素酶可將尿素分解為NH3和CO2，若細菌產生的尿素酶越多，則單位時間內分解出的NH3和CO2越多，溶液的導電能力就越大.用移液槍吸取5mL培養好的菌液加入到1.1mol/L的45mL尿素溶液中，測得其5min電導率值為0.469S/m.

營養鹽采用尿素溶液，鈣源采用硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O) 溶液.兩者體積比為1∶1，濃度均為1.1mol/L(營養鹽和鈣源溶液濃度是在優化試驗的基礎[11]上選定的，這里不再贅述).

2 混凝土試件裂縫的制作

為保證在混凝土裂縫中順利灌入菌液、營養鹽和鈣源溶液，混凝土試件設計了灌漿槽.具有一定長度、寬度和深度的水平裂縫設置在灌漿槽底部.試件的剖面圖見圖1.試驗采用預埋鋼板(鋼板厚度選為0.3，0.5，1.0，1.5mm)的方法制作裂縫，鋼板厚度即為裂縫寬度，裂縫深度均為180mm,裂縫長度均為100mm.鋼板埋入混凝土前，在其表面涂刷薄薄的1層潤滑油，以確保鋼板能夠順利拔出.另外混凝土試件澆筑初凝之后到終凝之前每隔0.5h抽動鋼板一次，以防止鋼板與混凝土粘連.

圖1 試件剖面圖Fig.1 Profile of specimen(size:mm)

3 試驗過程

混凝土裂縫的封堵試驗采用向較窄裂縫內部直接灌漿(灌注菌液、營養鹽溶液和鈣源溶液)和向較寬裂縫內預填細砂等介質再灌漿這2種處理方式.當采用縫內直接灌漿處理方式時，在裂縫外側漿液流出口處用紗布封閉，以保證水從紗布滲出而菌種等被保留在裂縫內.

縫內直接灌漿流程每3d進行1次，每次灌入200mL菌液和300mL(營養鹽+鈣源)的混合溶液.以上灌漿過程重復7次，每次灌漿時均記錄細菌酶活性、試驗室溫度、反應現象及滲水試驗結果.

將細砂篩分得到的粒徑小于0.8mm的砂粒填入較寬裂縫中，然后按照前述縫內直接灌漿流程灌入200mL菌液和300mL(營養鹽+鈣源)的混合溶液.

以上2種灌漿方式，每次灌漿完成的2d后進行滲水試驗.滲水試驗前先將紗布和棉花清除，避免干擾滲水結果.滲水試驗時，向灌漿槽內灌入2L水，用容器在裂縫外側漿液流出口收集裂縫內流出的水，記錄5min內流出水的體積，用每min流出水的平均流量表示滲水速度，滲水速度越小說明裂縫的封堵效果越好.

4 試驗結果

4.1 試驗現象

向灌漿槽內注入菌液、營養鹽和鈣源的混合溶液，10min后槽內有大量白色絮狀物生成，而裂縫外側封閉的紗布中只有少量水流出；隨著灌漿次數的增多，流出的水量逐漸減少甚至消失；待灌漿槽內干燥后，發現槽底有大量白色沉積物.

4.2 裂縫內直接灌漿處理方式

7次縫內灌漿處理后，不同寬度(0.3,0.5,1.0,1.5mm)裂縫灌漿后的滲水速度與灌漿次數關系曲線如圖2所示.

圖2 不同寬度裂縫灌漿后滲水速度與灌漿次數關系曲線Fig.2 Relationship between outflow velocity and groutingtimes with different crack widths

由圖2可知，寬度為0.3，0.5mm的裂縫經過3次和4次灌漿處理后成功封堵了裂縫，而寬度為1.0，1.5mm的裂縫雖經7次灌漿處理，仍未能成功封堵裂縫，但滲水速度均有大幅度降低，降幅分別為63%和47%.由此看出：縫內直接灌漿的處理方式適合于細小裂縫，裂縫越小封堵效果越明顯；而較大裂縫進行縫內直接灌漿處理時，短期內并不能完全封堵裂縫，原因在于沉積的CaCO3在較寬裂縫內不易實現“架橋作用”，在滲水試驗中容易被沖出，隨著灌漿次數的增多，縫內沉積的CaCO3厚度增加，裂縫變窄，滲水速度才有所降低.

4.3 裂縫內預填介質再灌漿處理方式

裂縫內預填細砂再完成7次灌漿處理后，不同寬度(1.0,1.5mm)裂縫灌漿后的滲水速度與灌漿次數關系曲線如圖3所示.

圖3 不同寬度裂縫預填介質灌漿后滲水速度與灌漿次數關系曲線Fig.3 Relationship between outflow velocity and grouting times with different crack widths after pre-filled treatment

由圖3可見，2條曲線均呈下凹形，表明在初期灌漿處理時，滲水速度降低顯著，而后期滲水速度降低放緩.與圖2中裂縫寬度1.0，1.5mm的曲線相比可知，裂縫內填入介質后經過4～5次灌漿處理即可實現完全封堵，封堵效果顯著提高.

裂縫內預填介質再灌漿的方式對較寬裂縫很適用.這是因為：一方面，在裂縫內預填介質間接減小了裂縫寬度，增大了裂縫內壁的摩擦度，增加了固相CaCO3被捕獲的概率，使架橋封堵順利進行；另一方面，在裂縫內預填的介質組成了多孔結構，為CaCO3沉積提供了大量場所.

4.4 超聲波檢測結果

針對縫內直接灌漿處理方式下寬度為0.3mm的裂縫，采用超聲波對封堵前后裂縫中的CaCO3密實度變化情況進行檢測.超聲波檢測采取平測方式，在裂縫上下各布置5個測點，上下測點間距為50mm，測點平面布置圖見圖4.裂縫封堵前后超聲波檢測結果見表1，2.由表1，2可以看出：在裂縫封堵前，3#測點處的聲時最長(57.9μs)，這是由于該測點位于跨越裂縫的上、下兩端，裂縫隔斷了聲波直線傳遞路徑，因此需要更長的傳遞時間；裂縫封堵后，3#測點處聲時在5組測點中雖然還是最大，但與其他4組已很接近，說明裂縫封堵后CaCO3密實度已接近混凝土試件.

圖4 超聲波檢測裂縫測點布置Fig.4 Measuring points arranged in layout of crack(size:mm)

No.Phonation time/μsSpeed/(km·s-1)Amplitude/μm1#32.42.16120.932#31.92.19117.823#57.91.21122.814#33.92.06122.085#34.92.01118.20

表2 裂縫封堵后超聲波檢測結果

5 結論

(1)裂縫內直接灌注菌液、營養鹽和鈣源溶液的封堵方式較適合于細小裂縫(寬度0.5mm以下)，裂縫越小封堵效果越顯著，經過幾次灌漿即可實現完全封堵；但縫內直接灌漿方式對較寬裂縫的封堵效果較差，原因在于沉積的CaCO3在較寬裂縫內不易實現“架橋作用”.

(2)對較寬裂縫來說，縫內預填細砂等介質再灌漿方式可有效提高裂縫的封堵效果.這是因為裂縫內預填介質間接減小了裂縫寬度，增大了裂縫內壁的摩擦度，增加了固相CaCO3顆粒被捕獲的概率，使“架橋作用”順利進行.

(3)經超聲波檢測發現，CaCO3沉積封堵后的裂縫材料密實度接近混凝土試件.

本文用預埋鋼板的方法制作裂縫，裂縫內表面粗糙度與自然狀態開裂的裂縫存在差別，因此應用于工程時尚需做更多的現場模擬試驗.