基于微生物礦物沉積的混凝土開裂自愈合★

閆睿 趙胤 楊豪 李佳鵬 劉瑤

(東北林業(yè)大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

混凝土是目前世界上使用量最大、應用范圍最廣的工程材料，但因其彈性模量和抗拉強度較低，在外部載荷與溫度作用下不可避免地會產生微裂縫，這些微裂縫會極大降低混凝土的抗?jié)B性、抗氯離子侵蝕以及抗碳化能力，因此，裂縫的修復方法一直以來都是學術界和工程界關注的焦點。基于此，提出了微生物混凝土裂縫自修復性能研究。

1 試驗方案

在水泥砂漿中使用細菌來確定混合物裂縫自愈合效果。試驗采用枯草芽孢桿菌，沸石作為固定細菌和營養(yǎng)物的載體，采用不同引入技術摻入水泥砂漿，以評估對自愈合效果的影響。沸石如圖1所示。

1.1 微生物和載體的選取

細菌的選取需要滿足一定的要求，它應該是好氧的，能適應水泥砂漿的高壓、高堿環(huán)境，并且能夠誘導乳酸鈣產生碳酸鈣。本項目所選細菌為枯草芽孢桿菌，它符合在惡劣環(huán)境下生存的必要條件。

細菌不能直接添加到混凝土中，會降低細菌活性和活力。因此，選擇沸石作為細菌保護載體，由于其比表面積大和孔隙率高而用于固定微生物。

圖1 烘干的沸石

1.2 水泥砂漿試樣的制備

制備水泥砂漿的水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料為普通河砂，細度模數(shù)2.8;制備試件的水為自來水。

用摻入的細菌誘導沉積碳酸鈣，需要在澆筑過程中提供合適的礦物基質和營養(yǎng)物。乳酸鈣被選為鈣源;酵母提取物因其在混凝土中的成功應用而被選為細菌生長培養(yǎng)基。

本試件水灰比為0.5，沸石按照等質量替換河砂的方式，設計了3組配合比，其中B0為對照組，未摻加菌液;B1組是在水泥砂漿混合物攪拌過程中直接摻入細菌溶液，未使用任何保護載體;B2組是使用沸石作為載體摻入細菌溶液的試樣。表1顯示了3種混合物的配合比。

表1 混合物配合比

試樣尺寸采用50 mm×50 mm×50 mm立方體，水泥砂漿試件攪拌后，裝模振搗，將模具放在振動臺振動10次后用抹子刮平，24 h脫模后在恒定的濕度和溫度條件下養(yǎng)護，然后取出備用。

1.3 裂縫制備與自愈合養(yǎng)護

制備裂縫時，將試樣在壓力試驗機下緩慢加載，速度控制在0.3 MPa/s左右，當試件發(fā)生咔咔的破裂聲而不會完全斷裂成兩半時停止加載，最終在上下表面中心處獲得寬度不同的縱向微裂縫，裂縫寬度控制在1 mm以內。

制造完裂縫后，為了便于在顯微鏡下觀察裂縫愈合效果，在選中觀測裂縫的垂直方向每隔1.0 mm標記一條橫線，大約選擇5個觀測點。三組試件裂縫養(yǎng)護均采用濕養(yǎng)護，將試件放在裝有水的塑料盆中進行裂縫愈合養(yǎng)護，定期往塑料盆里補水，保持水面始終高于試件;三組試件分別養(yǎng)護7 d，14 d和28 d后對標記裂縫處進行裂縫愈合寬度測量，通過觀察裂縫寬度變化確定自愈合效果。

1.4 表面裂縫修復情況

在開裂試件養(yǎng)護7 d，14 d和28 d后觀察并測量裂縫寬度，開始寬度和后期裂縫寬度的差值作為自愈合的度量。

2 試驗結果與分析

根據(jù)對裂縫寬度進行測量，確定試件的自愈過程有效性。水中修復養(yǎng)護7 d時，未添加愈合劑的B0組試件裂縫愈合效果不明顯，直接添加愈合劑的B1試件表現(xiàn)出部分裂縫愈合，沸石固載愈合劑的B2組試件裂縫愈合效果顯著;當修復養(yǎng)護達到28 d時，B0和B1組試件的表面開裂裂縫沒有發(fā)生明顯的愈合，B2組試件裂縫完全愈合，裂縫被連續(xù)的白色沉淀物填充。

3 結語

本文研究了微生物誘導的水泥砂漿裂縫自愈行為。在開裂養(yǎng)護7 d，14 d和28 d后，對裂縫愈合試樣的自愈能力進行評估。研究結果表明，與其他兩組試件相比，用沸石固載細菌的混凝土試樣在開裂養(yǎng)護早期裂縫愈合效果顯著;隨著養(yǎng)護齡期的增加，修復速度減緩，但0.1 mm以下的裂縫最終能被完全修復。這主要是由于養(yǎng)護早期，微生物誘導的碳酸鈣沉積在微生物細胞表面和砂漿孔內;養(yǎng)護后期，隨著水化反應的進行水泥基內部環(huán)境對細菌孢子的生存造成很大影響。用微生物誘導礦物沉積填充混凝土裂縫既能有效填充修復裂縫，抵御氯化物、二氧化碳等有害物質的滲透，又能降低對混凝土耐久性的不利影響。