微生物對再生骨料的改性研究

武漢理工大學土木工程與建筑學院 湖北 武漢 430070

目前,再生骨料常見的強化方法有機械強化和化學強化。機械強化和化學強化都有其自身的不足,因此本研究利用微生物礦化作用[1-2]對再生骨料進行改性處理,修復骨料中的裂縫、裂紋,來達到強化骨料的目的。試驗選取的微生物為巴氏芽孢桿菌,通過誘導礦化作用利用周圍環境產生碳酸鈣沉修復再生骨料。

1 試驗原理

微生物誘導碳酸鈣沉淀(Microbial induced calcium carbonate precipitation,MICP)技術受到越來越多的關注。MICP本質上是利用微生物產生的脲酶,催化環境中的尿素使其轉化為碳酸根和銨根離子,在微生物生活的環境中鈣離子的存在會促使微生物的細胞壁成為成核位點,并在其上產生碳酸鈣沉淀[3]。

2 試驗結果分析

再生骨料運用到混凝土當中,基本處于堿性環境當中,因此研究堿性環境下微生物對再生骨料修復的效果具有重要的意義。

采用AB兩種批次骨料,共設置六組試驗。其中A1、A2兩組采用不同p H值的養護液浸泡A種骨料,B1、B2兩組采用不同p H值的養護液浸泡B種骨料。A3、B3兩組采用不同的p H值養護液分別浸泡A、B兩種骨料。A1、A2、B1、B2四組試驗中的養護液成分為:水2.5L、硝酸鈣5g、尿素2g、酵母粉5 g。A3、B3兩組試驗中養護液的成分為2.5L自來水。共設置五種不同p H值的養護液。利用2 mol/L的NaOH溶液分別調整養護液p H至8.0、9.0、10.5、12.0、13.0。每組試驗中,將骨料分成五份,每份質量為5kg,分別置入五種不同p H值的養護液和自來水中。在室溫為25℃情況下,養護7天后,測定這五種不同p H值養護液中的骨料的質量、吸水率、表觀密度和壓碎指標。

表1 不同p H值的骨料的質量

圖1所示為再生骨料經巴氏芽孢桿菌礦化沉積改性不同p H值后的質量變化值。從圖中可以看出,隨著堿性環境的增強,再生骨料的質量逐漸提高,p H值為10.5時A種骨料質量增長率達到頂值為2.9%,B種骨料質量增長率最大2.98%。然而當溶液p H值繼續增大時,質量增長率出現下降趨勢。是因為強堿環境中芽孢桿菌活性降低,導致新陳代謝也降低,使其產生較少的的脲酶,無法使尿素完全分解,使溶液中還有大部分鈣離子無法與碳酸根離子產生沉淀。其次在強堿環境下,骨料表面沉積的碳酸鈣晶體會被腐蝕。導致質量增長率降低。從圖中還能發現A3、B3兩組試驗中骨料的質量隨堿性環境的增強而降低,同樣也是因為附著在骨料上面的舊砂漿和細沙流失導致的。

圖2為PH值與表觀密度的關系,從中可以發現與質量變化率趨勢相同,隨著堿性環境的增強,再生骨料的表觀密度先增長后降低,在PH值為8到9之間表觀密度增長較慢,而在9到10.5之間迅速增加,接下來又緩慢增長,在p H值為10.5時A種骨料表觀密度達到最大值為2630kg/m3B種骨料表觀密度達到最大值為2583kg/m3。接下來骨料的表觀密度出現下降趨勢。說明養護液的p H值過高會抑制碳酸鈣沉淀的形成,從而抑制了表觀密度的增長。

圖1 p H值與質量變化率的關系

圖2 p H值與表觀密度的關系

圖2 p H 值與吸水率的關系

圖2為不同PH值養護液下,再生骨料的吸水率。從圖中可以看出,隨著養護液p H的增長,再生骨料的吸水率大體呈先降低后增大的趨勢。改性養護7 d后,p H值為10.5的養護液中的再生骨料的吸水率達到最低值為,A骨料的為2.2%B骨料的吸水率為2.42%。上述試驗結果表明一定的堿性環境有助于再生骨料的改性處理,但堿性較強時對再生骨料的各項性能指標沒有幫助甚至會降低骨料的性能。其原因是因為在強堿環境中微生物的活性會降低,導致細菌繁殖減少,菌液濃度降低,使其產生的脲酶較少,導致生成的碳酸鈣沉淀也減少。使其改性效果降低。另外發現在A3、B3兩組試驗中,隨著堿性的增強骨料的吸水率有所降低這是因為強堿環境同樣會使附著在骨料上的舊砂漿分離出去,導致骨料的吸水率小范圍類降低。

圖4為不同p H值養護液經7天養護后,再生骨料的壓碎指標。從圖中可以看出,當p H值為8～10.5時,再生骨料的壓碎指標隨著p H值的增大而逐漸降低,p H值為10.5時改性養護后A骨料壓碎指標最低為13.5%,B骨料壓碎指標最低為13.8%;然而當p H值大于10.5時,再生骨料的壓碎指標又出現繼續增大的現象。從A3、B3兩組試驗中可以發現在堿性較強的環境中,骨料的壓碎指標呈小幅度上升趨勢,這是因為強堿具有腐蝕性,導致再生骨料被腐蝕對骨料本身有損傷,因此骨料的壓碎指標增大。從壓碎指標和吸水率的參數角度來說,養護液的p H值存在最優值,綜合分析比較不同p H值的養護液對再生骨料的性能影響本次試驗養護液的最佳p H值為10.5。

圖3 p H值與壓碎指標的關系

3 結論

(1)巴氏芽孢桿菌可以在再生骨料的表面及微裂縫、孔隙中生成一定量的碳酸鈣沉淀,從而改善了再生骨料的物理性能。

(2)隨著養護液p H值的提高,再生骨料的質量、表觀密度、吸水率和壓碎指標都呈現出先增大再降低的趨勢,說明一定的堿性環境有利于提高芽孢桿菌的活性,產生更多的脲酶,分解較多的碳酸根離子與鈣離子結合產生更多的沉淀。而當堿性較強時會抑制芽孢桿菌的活性,使芽孢桿菌對骨料的修復效果減弱。因此從本次試驗來看養護液的p H值也存在最佳值,最佳p H值確定為10.5。