微生物修復混凝土裂縫的力學性能試驗研究

周 耀，王若琪，劉 斌，門 杰，李曉敏

(1.北京航空航天大學 交通科學與工程學院，北京 102206；2.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；3.北京航空航天大學 空間與環境學院，北京 102206)

0 引言

混凝土裂縫嚴重影響結構的力學性能和耐久性能，是混凝土結構的一種常見病害，并伴隨有混凝土碳化[1-2]、鋼筋銹蝕[3-4]、凍融破壞[5-6]和滲漏溶蝕[7]等病害。混凝土裂縫常用的修復方法有灌水泥漿[8]或環氧樹脂[9]的堵漏法、表面封閉法[10]、FRP[11]或粘貼鋼板加固[12]等結構加固方法，但是這些方法均有一定的適用范圍，存在一定的局限性。漢克·約克斯教授利用微生物誘導沉積碳酸鈣(Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP)技術修復混凝土裂縫取得成功[13]。由于其沉積材料碳酸鈣與混凝土材料兼容性好、耐久性高，具備經濟環保的特點[14]，得到廣泛關注。

抗壓強度和抗折強度是評價混凝土力學性能的兩個主要指標。李沛豪[15]進行裂縫生物沉積修復后的混凝土試件抗壓和彎曲破壞試驗。經過修復后的混凝土試件抗壓強度和三點彎曲跨中極限荷載均得到提高。周夢君[16]采用膨脹珍珠巖固載自修復劑好氧嗜堿微生物。試驗研究表明使用膨脹珍珠巖固載微生物后，混凝土裂縫的自修復能力得到有效提高。錢春香[17]采用一種能夠礦化生產碳酸鈣的固碳菌，將其與底物配制成自修復劑在水泥基成型階段直接加入到基體中，14 d后摻有微生物的水泥基材料的抗壓、抗折強度均提高。目前關于微生物裂縫修復的研究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。但細小裂縫不可避免地會有降低抗壓強度和抗折強度，這在工程應用中不可忽視。于是對細小裂縫的修復及修復后效果評價的研究具有較大意義。本研究用不銹鋼插片制作裂縫，采用注射器滴加法修復裂縫，通過抗壓強度和抗折強度指標評價修復后的效果。

1 微生物修復混凝土裂縫原理

微生物誘導沉積碳酸鈣發生的化學反應可以簡化為[18]：

(1)

Ca2++Cell→Cell-Ca2+，

(2)

(3)

2 礦化沉積試驗

配置培養基，高溫滅菌，放置在超凈工作臺冷卻至室溫，接種巴氏芽孢桿菌菌液，放置在生化培養箱中，恒溫培養24 h。分別配置0.5 mol/L的乙酸鈣溶液和硝酸鈣溶液，取(1)100 mL乙酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，分別將pH調節為8，9，10；(2)100 mL硝酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，調節pH至9.5；放置在生化培養箱中，恒溫培養。沉淀完成后，經離心、干燥、稱重得碳酸鈣沉淀質量，并通過XRD及SEM確定沉淀晶型及形貌。

礦化結果發現乙酸鈣作為鈣源時，沉淀速率顯著變緩，沉淀周期長且生成的碳酸鈣沉淀少，對比不同的pH條件發現，堿性環境更有利于沉淀的生成。當以硝酸鈣作為鈣源時，混合后很快形成沉淀，溶液迅速變渾濁，肉眼可以觀察到沉淀的生成，溶液中的鈣離子幾乎100%轉化為沉淀，沉淀過程24 h可進行80%，48 h即可接近100%。對比兩種鈣源發現，硝酸鈣為鈣源時沉積速率更快，Ca2+利用率更高，達95%以上，而乙酸鈣為鈣源時，Ca2+利用率顯著降低，不到70%(見圖1)，且混凝土裂縫微環境中pH約為9.5，在此條件下，硝酸鈣沉淀情況良好，因此后續試驗選用硝酸鈣作為鈣源。

圖1 乙酸鈣和硝酸鈣作為鈣源時的沉淀率

對生成的碳酸鈣沉淀進行XRD測定和SEM觀察，從沉淀形貌來看，生成的碳酸鈣主要呈塊狀及球形，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。對沉淀成分進行分析發現，生成的碳酸鈣沉淀主要為方解石，同時也含有少量球霰石(見圖2)。

圖2 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的XRD圖

3 裂縫修復力學性能試驗

試驗用混凝土按照強度等級為 C30 進行制作，其材料配合比為水∶水泥∶砂子∶碎石=0.43∶1∶ 1.25∶2.91。對于帶裂縫的混凝土而言，抗壓強度和抗折強度不可避免地會有降低，為了評價修復效果，進行了完好混凝土、帶裂縫混凝土,以及修復混凝土的對比試驗。抗壓強度和抗折強度試驗參照國家標準《普通混凝土力學性能試驗方法標準》(GB/T 50081—2002)進行。

3.1 裂縫修復混凝土抗壓強度試驗

制作混凝土裂縫寬度0.5 mm，長度50 mm，深度10 mm和20 mm的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試件12個。混凝土立方體試件如表1所示。混凝土立方體試件其中6個完好試件分別測成型7 d和28 d混凝土抗壓強度。另外12個試件，每組平行試件3個，研究不同裂縫深度對修復效果的影響。其中3個裂縫深度10 mm，裂縫寬度0.5 mm試件，3個裂縫深度20 mm，裂縫寬度0.5 mm試件不修復，用于對比裂縫修復前后混凝土抗壓強度變化。

表1 抗壓強度試驗試件制備

為了減少菌液和硝酸鈣溶液損耗，混凝土裂縫四周涂有一圈玻璃膠。在試驗過程中連續均勻地加荷，加荷取0.5 MPa/s。3個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值，精確至0.1 MPa。試驗值乘以修正系數0.95作為混凝土抗壓強度值。加載時，裂縫位于側面，水平放置。

對于帶裂縫的混凝土立方體試件，混凝土抗壓強度隨深度增加而減低。生物沉積修復后，抗壓強度均提高，提高幅度隨裂縫深度的增加而增大，裂縫深度10 mm和20 mm分別提高為2.2%和8.0%,如表2所示。修復后的混凝土抗壓強度低于完好混凝土強度。

表2 裂縫修復前后混凝土抗壓強度

3.2 裂縫修復混凝土抗折強度試驗研究

制作混凝土裂縫寬度0.5 mm，長度50 mm，深度20 mm的150 mm×150 mm×550 mm混凝土棱柱體試件6個，人工裂縫位于試件中央，與短邊平行；完好試件3個，混凝土棱柱體試件如表3所示。每組平行試件3個，其中3個裂縫深度20 mm，裂縫寬度0.5 mm試件不修復，研究混凝土修復前后以及未開裂時抗折強度的變化。

表3 抗折強度試驗試件制備

在試驗過程中連續均勻地加荷，加荷速率取0.05 MPa/s。3個試件測值的算術平均值作為該組試件的強度值精確至0.1 MPa。裂縫所在面位于于梁下表面。兩個加載點間距150 mm，兩個支座間距450 mm。

利用巴氏芽孢桿菌溶液和硝酸鈣溶液修復混凝土裂縫取得良好效果。裂縫深度20 mm的混凝土裂縫修復后抗折強度提高5.9%,如表4所示。但是修復后的混凝土抗壓強度和抗折強度均低于完好混凝土強度。

表4 裂縫修復前后混凝土抗折強度

4 結論

(1)乙酸鈣作為鈣源時，沉淀周期長且生成的碳酸鈣沉淀少，堿性環境更有利于沉淀的生成。當以硝酸鈣作為鈣源時，混合后很快形成沉淀，生成的碳酸鈣沉淀主要為方解石，同時也含有少量球霰石。

(2)利用巴氏芽孢桿菌溶液和硝酸鈣溶液修復混凝土裂縫取得良好效果。裂縫深度10 mm和20 mm的混凝土試塊裂縫修復后抗壓強度分別提高為2.2%和8.0%，裂縫深度20 mm的混凝土試塊裂縫修復后抗折強度提高5.9%。但是修復后的混凝土抗壓強度和抗折強度均低于完好混凝土強度。