微生物灌漿碳酸鈣沉積規(guī)律

賈 強, 丁 鵬

(1.山東建筑大學 土木工程學院, 山東 濟南 250100; 2.山東建筑大學 建筑結(jié)構(gòu)加固改造與地下空間工程教育部重點實驗室, 山東 濟南 250100)

現(xiàn)有的許多化學灌漿材料，如環(huán)氧類樹脂等在混凝土缺陷修復中發(fā)揮了重要作用.但是其與水泥基材料相容性差、易老化、黏性較高，只能封堵較寬的、深度不大的裂縫[1].微生物礦化封堵混凝土裂縫用材料固化前黏性很低，沉積生成的方解石等性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土材料結(jié)合性好[2]，因此在堵漏工程中有廣闊的應用前景.

微生物誘導生成碳酸鈣的原理是微生物利用自身產(chǎn)生的尿素酶，將尿素分解為NH3和CO2，若細菌周圍有Ca2+，細菌細胞中帶負電荷的有機單層膜就會不斷地螯合Ca2+，引起碳酸鈣晶體沉積[3].Boquet 等[4]發(fā)現(xiàn)，自然界中有些微生物能夠利用自身的生命活動誘導碳酸鈣沉積.微生物封堵研究主要由荷蘭研究機構(gòu)GeoDelft發(fā)起，旨在通過調(diào)整土壤特性，改變土壤各項系數(shù)[5].Blauw等[6]通過向裝滿砂的PVC管中灌注營養(yǎng)物質(zhì)，使管中央處隔板上的小孔得以封堵.Cyprien等[7]將巴氏芽孢八疊球菌、氯化鈣和尿素連續(xù)向砂柱中注入，發(fā)現(xiàn)砂柱中的滲透速度顯著降低.Li等[8]研究發(fā)現(xiàn)，先在較寬的裂縫內(nèi)填注砂或石英粉，再用細菌修補裂縫非常有效.錢春香等[9]利用細菌覆膜方法，將混凝土試樣的吸水系數(shù)降低了1個數(shù)量級.賈強等[10-11]在墻體外側(cè)制作灌漿槽，實施生物灌漿，對天窗處的水平裂縫進行成功封堵.由此可見，微生物修復裂縫的效果已在工程中得到驗證，但封堵層的生成及演化機理還需要研究.

本文通過控制菌液量、裂縫底部有無菌液過濾層(醫(yī)用棉團)、是否提前在裂縫內(nèi)灌注菌液固定液這3種影響因素，闡明混凝土裂縫內(nèi)碳酸鈣的沉積分布規(guī)律，為微生物修復混凝土裂縫技術(shù)在地下工程防滲堵漏中的應用和推廣提供理論依據(jù).

1 試驗設計

1.1 試驗參數(shù)

混凝土裂縫采用劈裂法進行制作，灌漿液從裂縫頂端靠自重作用沿裂縫豎向流出.為研究碳酸鈣沉積規(guī)律，提出3種試驗參數(shù)：(1)灌菌量 本試驗用裂縫容積比表征.裂縫寬度為1mm，長度和深度均為15cm，裂縫體積為22.5cm3.將灌菌量設置為45、135、270mL，相應的裂縫容積比分別為2∶1、6∶1、12∶1.同時，設置未添加菌液對照組，以驗證菌液在誘導沉積碳酸鈣中所起的作用.(2)裂縫底部是否設置過濾層 因試驗用巴氏芽孢桿菌粒徑為2～3μm，溶液分子粒徑只有幾nm，在裂縫底部設置醫(yī)用棉團作為過濾層，可將大部分菌液封堵在裂縫內(nèi)，同時也可減緩溶液分子流出.(3)是否提前在裂縫內(nèi)灌注菌液固定液.依據(jù)以上3種參數(shù)，設計10組平行灌漿對比試驗，如表1所示.

表1 微生物灌漿封堵裂縫試驗設計表

1.2 混凝土試件制作

混凝土試件設計強度等級為C35，各對比組分別預先制作15個尺寸為150mm×150mm×150mm的立方體混凝土試件，實際所用試件數(shù)量會根據(jù)灌漿封堵次數(shù)有所增減.試件標準養(yǎng)護完成后，采用劈裂法制作裂縫，具體步驟如下：在試件頂面和底面通過預埋截面為5mm×5mm的平直鋼質(zhì)方墊條，制作2個微小凹槽，作為劈裂裂縫位置；用壓力機墊以三角形楔塊，對準凹槽，以0.04～0.06MPa/s的速率連續(xù)勻速加載，直至試件裂開；在裂縫內(nèi)填入1mm 厚的硅膠帶，以控制裂縫寬度，并用膠帶將試件四周纏繞粘合在一起.

1.3 微生物、營養(yǎng)鹽及鈣源溶液的制備

本試驗選用的微生物為巴氏芽孢桿菌，培養(yǎng)基中各物質(zhì)組成為20g/L酵母提取物、10g/L硫酸銨、10μmol/L氯化鎳.采用0.1mol/L的氫氧化鈉溶液，將培養(yǎng)基pH值調(diào)至9.0.培養(yǎng)過程包括高溫高壓滅菌、接種、恒溫振蕩培養(yǎng)箱培養(yǎng)和檢測酶活性4個步驟，其中恒溫振蕩培養(yǎng)時間設定為22h，溫度設定為30℃，振蕩床轉(zhuǎn)速設置為180r/min.

選用電化學方法對菌液酶活性進行測定.采用電導率儀測量溶液電導率，以此來反映酶的活性.取5mL培養(yǎng)好的菌液加至45mL、濃度為1.1mol/L的尿素溶液中，測量5min溶液的電導率值，乘以稀釋倍數(shù)(10)，即為菌液酶活性.

采用分光光度計測定菌液濃度，檢測用波長為600nm，所測值用OD600表示.單位體積細菌數(shù)量通過式(1)進行換算[12]：

Y=8.59×107Z1.362 7

(1)

式中：Y為單位體積細胞數(shù)量，cell/mL；Z為600nm波長的吸光度(OD600).

巴氏芽孢桿菌在培養(yǎng)完成后，OD600值在2.7左右.通過式(1)計算可知，單位體積細菌數(shù)量約為3.33×108cell/mL.

試驗選用氯化鈣溶液作為鈣源溶液和固定液.鈣源溶液和摻入菌液后的尿素溶液濃度均根據(jù)之前的優(yōu)化試驗確定[13].其中鈣源溶液濃度為1.00mol/L，體積為相應菌液的1.5倍；固定液濃度為0.05mol/L；試驗用營養(yǎng)鹽為尿素，摻入菌液后的濃度為2.50mol/L.

1.4 微生物沉積碳酸鈣修復裂縫試驗過程

試件灌漿前，保證其處于干燥狀態(tài).為防止灌漿液外溢，在試件頂面安裝鋼板灌漿槽.灌漿液從裂縫頂部灌入，滲濾液從混凝土底部裂縫排出.試驗采用蠕動泵灌注，可以有效控制灌入速度，使菌液、營養(yǎng)鹽和鈣源溶液充分混合、反應.為增加菌液的酶活性，提高碳酸鈣的產(chǎn)量，提前60min將尿素摻入菌液中.灌漿方式采用不連續(xù)灌漿，第1d時，先灌入菌液和尿素混合液，第2～6d時，每天灌入鈣源溶液，5d內(nèi)灌入鈣源溶液總量為菌液體積的1.5倍.上述6d為1個灌漿循環(huán)，隨后開始下一輪灌漿循環(huán).如果需要提前灌注固定液，則在灌注菌液和尿素混合液的前1d，灌入20mL固定液.將蠕動泵灌注菌液和尿素混合液的速率控制在3200μL/min，灌注鈣源溶液速率控制在4800μL/min.所有試件底部流出的灌漿液不再重復使用.每次灌漿循環(huán)完成后，測定150mm水頭高度下5min裂縫的滲水量.當完全封堵后先用切割機將試件切割開，再用電子顯微鏡觀測沿裂縫深度方向生成物質(zhì)的分布情況.試驗采用多試件同條件灌漿方案，每次灌漿循環(huán)后均保留1個試件開展?jié)B水試驗和生成物的稱量、觀測，其他試件繼續(xù)下一輪灌漿循環(huán)，直至試件完全封堵.需要說明的是，雖然可以利用菌液和鈣源存在的濃度差對裂縫內(nèi)的空隙進行繼續(xù)填充，但考慮到本試驗以堵漏為目的，因此試驗停止以裂縫不再滲水為準.

圖1 灌漿裝置圖

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 滲水試驗結(jié)果

以150mm水頭高度下5min的滲水量，換算出每塊試件的平均滲水速率，如表2所示.由表2可以看出：灌入裂縫內(nèi)的菌液量越多，試件滲水速率降低就越快，其中4#、7#、10#組試件所需灌漿循環(huán)次數(shù)最少，均為4次；5#組試件所需的灌漿循環(huán)次數(shù)最多，為11次；無菌液灌注的對照組(1#組)試件則沒有封堵，滲水速率也無明顯下降，說明菌液在碳酸鈣沉積過程中發(fā)揮了重要作用.

為對比設置過濾層和添加固定液后的封堵效果，以菌液量相同(與裂縫容積比均為2∶1)的2#組、5#組和8#組試件為例，進行分析.由表2還可知，在灌菌量相同的條件下，2#組試件灌漿循環(huán)8次即完成封堵，8#組試件需要9次，而5#組試件需要11次.這說明設置過濾層和添加固定液這2項措施均能有效提高封堵效率，且設置過濾層效果明顯好于添加固定液.底部加設過濾層對菌液和生成物有阻隔作用，不會隨著灌漿液流出.而提前灌入固定液的對比組修復效果優(yōu)于無固定液對比組，這是因為固定液可以提供少量鈣離子，吸附細菌細胞表面負電荷，使細胞體容易固定在裂縫內(nèi)壁或填充顆粒表面上，從而使細菌體不被后續(xù)的灌菌液帶出，加速了碳酸鈣的沉積.

表2 各對比組試件平均滲水速率

2.2 碳酸鈣稱重結(jié)果

為了更直觀地比較3種影響因素對混凝土裂縫內(nèi)碳酸鈣生成量的影響，測量試件裂縫內(nèi)碳酸鈣的生成量.利用銼刀和尖錐，沿裂縫斷面磨下所生成的碳酸鈣粉末(仍有少量緊貼裂縫內(nèi)壁生成物無法取下)，并用電子天平稱量.10組試件裂縫內(nèi)碳酸鈣的生成量見表3.

表3 裂縫內(nèi)碳酸鈣的生成量

由表3可以看出：在前4次灌漿循環(huán)中，由于7#組試件的菌液量最多，所以產(chǎn)生的碳酸鈣最多；隨著菌液量的減少，9#組和2#組試件產(chǎn)生的碳酸鈣逐漸減少；之后由于7#組試件已封堵，無需繼續(xù)灌漿，9#組和2#組試件可繼續(xù)灌漿，最終碳酸鈣產(chǎn)量均超過7#組試件.由表3還可以看出，在灌菌量和有無菌液固定液條件相同時，有過濾層的對比組2#和9#，在相同灌菌循環(huán)次數(shù)時，碳酸鈣生成總量多于無過濾層對比組5#和3#.在灌菌量和有無過濾層條件相同時，有固定液對比組2#、9#、7#在相同灌菌循環(huán)次數(shù)時，碳酸鈣生成量也多于無固定液對比組8#、6#、4#.此規(guī)律與滲水試驗的規(guī)律相同.

2.3 掃描電鏡觀測結(jié)果

利用電鋸從垂直于裂縫的方向?qū)υ嚰M行切割，利用電子顯微鏡觀測裂縫斷面處碳酸鈣的沉積情況.自裂縫上部，沿裂縫豎直方向，每隔35mm取1個觀察點，放大20倍，得到觀察點處碳酸鈣的微觀照片，并記錄該位置碳酸鈣的厚度.

2.3.1灌漿循環(huán)次數(shù)

圖2為7#組試件裂縫內(nèi)壁碳酸鈣厚度與灌漿循環(huán)次數(shù)的變化曲線.由圖2可知，隨著灌漿循環(huán)次數(shù)的增加，裂縫內(nèi)壁碳酸鈣層的厚度也不斷增大.

2.3.2裂縫豎向深度

由圖2還可以看出：(1)碳酸鈣沉積厚度從灌漿口沿豎直方向向下逐漸增大.這是由于灌漿液在自重作用下更容易向裂縫下部聚集；同時碳酸鈣沉積的化學反應需要時間，灌漿液流至裂縫中下部時，有更多碳酸鈣生成.(2)裂縫底部有菌液過濾層的試件，碳酸鈣易在裂縫底部生成；裂縫底部沒有菌液過濾層的試件，碳酸鈣易在裂縫中下部生成.

圖2 不同灌漿循環(huán)次數(shù)裂縫內(nèi)碳酸鈣沉積厚度

2.3.3裂縫內(nèi)壁粗糙度

裂縫內(nèi)部粗糙度是影響裂縫內(nèi)部碳酸鈣沉積、附著、架橋作用的一個重要影響因素.采用劈裂方法制作的裂縫，其內(nèi)壁粗糙度并不一致，粗糙度的不同影響了碳酸鈣在裂縫內(nèi)部的沉積.圖3為平滑裂縫內(nèi)壁和粗糙裂縫內(nèi)壁形成的碳酸鈣沉積圖.

由圖3可以看出：對于粗糙度較為平滑的裂縫，其兩側(cè)均有相近厚度的碳酸鈣生成；對于粗糙度較為粗糙的裂縫，左側(cè)凹陷處的碳酸鈣沉積厚度遠大于右側(cè)碳酸鈣沉積厚度.這是因為同樣平滑的內(nèi)壁碳酸鈣附著能力相當，兩側(cè)所沉積的碳酸鈣厚度較為接近；內(nèi)壁粗糙的裂縫，粗糙處提高了灌漿液與裂縫接觸的表面積，阻滯了灌漿液的流動，碳酸鈣有更多機會反應、沉積，因此碳酸鈣層較裂縫平滑處更厚.

圖3 不同粗糙度的裂縫兩側(cè)碳酸鈣沉積厚度

2.3.4裂縫豎向傾角與迂回度

采用劈裂法制作的裂縫并非都是豎向裂縫，部分有豎向傾角(見圖4(a)中的∠α)和迂回度(見圖4(b) 中的∠(α+β))處的碳酸鈣沉積量與豎向裂縫有明顯不同[14].

圖4 有豎向傾角和迂回度的裂縫示意圖

圖5為無豎向傾角和迂回度的裂縫與有明顯豎向傾角和迂回裂縫內(nèi)碳酸鈣沉積厚度的對比圖.由圖5可以看出：(1)豎向傾角更大的裂縫，內(nèi)壁生成碳酸鈣的也更多.灌漿液在自重下會發(fā)生沿深度方向的沉降擴張，當裂縫豎向傾角越大，豎向的流動分力越小，同時內(nèi)壁摩擦和吸附力越大，沉降效果就越弱，而且豎向傾角大的裂縫有更長的滲流路徑，比豎向傾角小的裂縫更容易形成碳酸鈣晶體.(2)有迂回的裂縫較無迂回處沉積了更厚的碳酸鈣.這是由于裂縫迂回處凹陷比較多，灌漿液在此處更易阻滯和停留的緣故.

圖5 不同形態(tài)裂縫兩側(cè)碳酸鈣的沉積厚度

3 結(jié)論

(1)以堵漏為目的的灌漿試驗，一旦不滲漏即停止灌漿.每次循環(huán)灌注的菌液量越多，封堵所需要的灌漿循環(huán)次數(shù)就越少，但碳酸鈣沉積沿裂縫豎向分布越不均勻，碳酸鈣總生成量也越少.

(2)提前灌入菌液固定液使碳酸鈣在裂縫內(nèi)壁更容易附著，修復效果和碳酸鈣生成量優(yōu)于不灌入固定液對比組.

(3)底部設置有菌液過濾層的對比組，阻滯了細菌和沉積物的迅速流出，使碳酸鈣更易貼近過濾層生成.

(4)隨著灌菌循環(huán)次數(shù)和裂縫豎向深度的增加，裂縫內(nèi)壁碳酸鈣的沉積厚度也不斷增加.

(5)裂縫內(nèi)壁越粗糙、豎向傾角越大，以及迂回處的碳酸鈣更容易沉積.