微生物修復混凝土裂縫的滲透試驗研究

王保生，周耀，王若琪，劉斌，李曉敏

（1.山西交通控股集團有限公司 大同南高速公路分公司，山西 大同 037400；2.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 102206；3.北京航空航天大學 空間與環境學院，北京 102206）

混凝土廣泛應用于建筑、橋梁、隧道等領域，其裂縫是混凝土結構最普遍、最常見的病害之一，并伴隨有鋼筋銹蝕、混凝土碳化、滲漏溶蝕和凍融破壞等病害，嚴重影響混凝土結構的工作性能和耐久性能。傳統的混凝土裂縫處理方法主要有表面封閉法[1]、堵漏法[2-3]（灌注水泥漿或環氧樹脂）和結構補強加固法[4-5]（FRP或粘貼鋼板加固）等方法，但各自都存在一定的局限性。代爾夫特理工大學微生物教授漢克·約克斯發明了利用微生物自動愈合混凝土的方法[6]。這種新型的混凝土裂縫微生物誘導沉積碳酸鈣（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技術，其沉積材料為碳酸鈣，具有生態友好、與混凝土材料兼容性好、碳酸鈣本身不易降解、耐久性高等特點，具備能耗低、綠色環保、施工簡便的特點，得到廣泛關注。

混凝土裂縫的滲透性是能直觀表征修復效果的一個指標。練繼建等[7]通過試驗研究了環境堿度對細菌生長和微生物礦化的影響，并使用注射和漫灌膠結液的方式修復具有不同表觀形狀裂縫的混凝土，修復后混凝土的滲透性大大降低。王文花等[8]采用膨脹珍珠巖固載自修復劑好氧嗜堿微生物，研制了一種新型裂縫自修復混凝土，膨脹珍珠巖固載微生物可以有效提高混凝土的裂縫自修復能力，在修復養護28 d后，其裂縫最大修復寬度達0.72 mm。微生物礦化能夠顯著提高混凝土抗滲水能力，經修復養護14 d后，滲水系數降低幅度達97.8%。賈強等[9]研究了不同裂縫寬度、深度、縫內是否填充介質和不同鈣源溶液等參數對修復后裂縫的抗滲承壓能力的影響。結果表明，在不同縫寬條件下，裂縫寬度越小，越有利于裂縫內壁對碳酸鈣晶體的“捕捉”，修復混凝土裂縫的灌漿次數越少；在不同縫深條件下，碳酸鈣晶體流經裂縫的距離和時間越長，增加了其在混凝土裂縫內架橋和沉積的幾率，因此裂縫深度越大，封堵速度越快。

目前關于微生物裂縫修復主要集中于自修復混凝土的研究，而對細小裂縫的修復研究較少。但細小裂縫往往會造成滲水現象，這在工程應用中不可忽視。因此，對細小裂縫的修復及修復后效果評價的研究具有較大的意義。本文用不銹鋼插片和試驗機壓裂試件制作裂縫，采用吊針滴加法修復裂縫，通過滲透性指標評價修復后的效果。

1 微生物修復混凝土裂縫原理

MICP技術是一種新型修復技術，其利用一類能夠產生脲酶的細菌在生長過程中產生的脲酶，將添加的尿素水解為CO32-和NH4+，然后CO32-與周圍溶液中的Ca2+反應生成碳酸鈣沉淀，以填補混凝土裂縫，從而達到修復的目的。微生物在有利的條件下，可以在混凝土表層不斷生成新的高不透水性方解石層。除了能夠不斷地自己生長外，在水中也很難溶解，能抵御有害物質的滲透，從而降低對混凝土結構的不利影響。

微生物產生的碳酸鈣沉積中發生的復雜化學反應[10]可以簡化為：

2 菌種選擇

通過文獻調研及預試驗，選擇巴氏芽孢桿菌與科氏芽孢桿菌2種菌種。菌種經固體培養基活化、液體培養基活化及擴大培養。2種菌種培養基不同，生長狀況也有較大區別。可以發現，巴氏芽孢桿菌的培養液很快變渾濁，即微生物生長增殖明顯，而科氏芽孢桿菌的培養液在數日后依然澄清。因此，巴氏芽孢桿菌生長更迅速，可在24 h后到達生長平臺期，轉接培養較為容易，對操作熟練程度要求較低。科氏芽孢桿菌生長周期為數十天，生長緩慢。

3 礦化沉積試驗

比較硝酸鈣溶液及等量硝酸鈣固體為鈣源的沉積過程。首先配制0.5 mol/L硝酸鈣溶液，取100 mL硝酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，調節pH值至9.5；對比試驗為200 mL菌液與11.8075 g硝酸鈣固體加入錐形瓶中，調節pH值至9.5。在恒溫條件下進行礦化試驗，在0、6、18、24 h時取錐形瓶中上層清液，離心，用稀硝酸稀釋至5～10倍，用原子吸收光譜儀測試上層清液中的Ca2+濃度。當上層清液中Ca2+濃度降至檢測限時，稱量離心管質量，把錐形瓶中的溶液和沉淀全部轉移至離心管中，離心、沉淀，放入60℃烘箱中烘干24 h，稱量沉淀質量（均在5 g左右，Ca2+全部沉淀）。杯壁中的沉淀用過量鹽酸沖洗，NaOH溶液回滴過量的HCl溶液，得出杯壁碳酸鈣的質量。通過Ca2+濃度變化確定碳酸鈣沉積所需時間。并通過XRD及SEM確定沉淀晶型及形貌，考察以固體或溶液作為鈣源時的礦化過程。

試驗中發現，溶液中可以很快形成沉淀，迅速變渾濁，肉眼可以觀察到沉淀的生成。結果表明，溶液中的Ca2+幾乎100%轉化為沉淀，沉淀24 h時可進行80%，48 h時即可接近100%。其它條件，如Ca2+濃度、固體鈣源、液體鈣源對沉淀過程不產生顯著影響。對沉淀物進行SEM和XRD分析，結果見圖1～圖3。圖3中固1、固2以固體硝酸鈣為鈣源，沉1、沉2以硝酸鈣溶液為鈣源。

由圖1～圖3可見，球形球霰石和方形方解石晶體均有生成。在晶體表面可觀察到明顯的菌體附著，證實了生物礦化作用的存在。從沉淀形貌來看，固體硝酸鈣或硝酸鈣溶液為鈣源均能生成方解石及球霰石晶型。

圖1 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的SEM照片

圖3 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的XRD圖譜

圖2 碳酸鈣表面菌體附著的SEM照片

4 滲透試驗裝置設計

滲水試驗是為了測試經修復養護后的試塊裂縫處的抗滲水性能，而非試塊整體的抗滲性能，因此，結合試驗設計的試塊尺寸，自行設計了易于操作的混凝土裂縫抗滲性測試裝置，裝置設計示意如圖4所示。裝置由有機玻璃制作而成，主要由蓄水室、試件安裝室以及集水裝置3部分組成。試件安裝室上部開口尺寸為102 mm×102 mm，方便放置待修復的混凝土試件；試件安裝室下部開口尺寸為60 mm×60 mm，方便水流滲出。四角由4根有機玻璃支座支撐整個裝置。裝置底部放置漏斗和集水杯用于收取流出液，頂部為敞開處理，便于在試驗中加入菌液及膠結液，為防止所加試劑從混凝土的側壁流出，將混凝土與容器之間的縫隙用玻璃膠密封。

圖4 滲透試驗裝置示意

5 裂縫修復滲透試驗

為了評估混凝土裂縫修復后的滲透性能，按式（4）計算滲透系數k：

式中：V——試驗用水量，mL；

l——試件裂縫長度，cm；

w——試件裂縫寬度，cm；

t——試驗用水流完所需時間，s。

試驗采用C30混凝土，其材料配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.25∶2.91∶0.43。滲透試驗澆筑100 mm×100 mm×40 mm混凝土試件12個，其中6個混凝土塊裂縫采用0.38 mm厚鋼板插拔法制作，裂縫長50 mm，沿混凝土塊厚度方向貫通（見圖5）。另外6個混凝土塊裂縫即在壓力試驗機上從試件中部劈裂試件，然后用膠布固定試件，將試件放置于滲透試驗裝置內，然后用玻璃膠密封混凝土與滲透試驗裝置上部四周（見圖6）。安裝完畢后的滲透試驗裝置如圖7所示。

圖5 人工插片制作裂縫滲透試驗試件

圖6 試驗機制作裂縫滲透試驗試件

圖7 滲透試驗裝置

人工插片制作裂縫滲透試件沿裂縫長度方向用玻璃膠進行密封，以防止試驗初期菌液以及礦化形成的碳酸鈣流失。試驗水柱高100 mm，先測試試件裂縫未修復前水柱流完所需時間。然后對裂縫進行修復，修復方法采用吊針滴加菌液和硝酸鈣溶液，如圖8所示。試件p1-1、p1-2、p1-3和試驗機制作裂縫試件每次菌液和硝酸鈣各滴加30 mL，上午和下午各修復1次，每次約1 h完成，修復2 d。p1-4、p1-5、p1-6每次菌液和硝酸鈣各滴加30 mL，上午和下午各修復1次，每次約0.5 h完成，修復2 d。修復前后對比如圖9、圖10所示。從外觀看，裂縫均能被沉淀物碳酸鈣填滿。

圖8 吊針滴加法修復混凝土裂縫

圖9 人工插片制作裂縫修復

圖10 試驗機制作裂縫修復

人工插片及試驗機制作裂縫試件修復前后水柱流完所需時間分別如表1、表2所示。

表1 人工插片制作裂縫試件修復前后水柱流完所需時間

表2 試驗機制作試件修復前后水柱流完所需時間

由表1可見，試件滲透系數提高34.3～249.8倍，修復后混凝土的抗滲性能明顯提高。試件p1-1、p1-2、p1-3相比于試件p1-4、p1-5、p1-6修復速度慢，滲透系數提高倍數高。

由表2可見，試件A的滲透系數提高了22.5倍，其余試件滲透系數提高均在100倍以上。修復后混凝土的抗滲性能顯著提高。

6 結論

（1）巴氏芽孢桿菌生長迅速，轉接培養較為容易，對操作熟練程度要求較低。因此巴氏芽孢桿菌比科氏芽孢桿菌更適合作為修復混凝土裂縫試驗菌種。

（2）固體鈣源、液體鈣源對沉淀過程不產生顯著影響。從沉淀形貌來看，固體硝酸鈣或硝酸鈣溶液為鈣源均能生成方解石及球霰石晶型。

（3）混凝土裂縫修復后，試件滲透系數離散性較大，但是滲透系數均有較大提高。表明生物修復混凝土裂縫后的抗滲性能明顯提高，但與完好的混凝土差距較大。裂縫修復速度降低，有利于裂縫填充物密實度提高，最終提高結構的抗滲性能。