微生物水泥用于混凝土表面缺陷修補的應用研究

毛永華，徐 耀，李文培，馬鋒玲，王利娜

(1.中國人民解放軍91053部隊，北京 100070；2.中國水利水電科學研究院材料研究所，北京 100038)

0 引 言

近年來，混凝土缺陷修復已成為一個重要的獨立行業，許多混凝土表面防護及缺陷修補材料不斷問世并發揮了重要作用，如聚合物砂漿、環氧類樹脂、水泥基滲透結晶型材料以及高分子灌漿材料等。但是如何解決這些有機材料與混凝土材料之間的相容性，進一步提高其抗老化性能和耐久性能，增強其環境友好性，一直是眾多研究者們致力突破的研究方向[1]。自然界中的某些微生物(如產脲酶的Bacteria B)，通過為之提供豐富的鈣離子及氮源的營養鹽，能夠快速析出具有優異膠結作用的方解石型碳酸鈣結晶，可將松散砂顆粒膠結成為整體，有效改善砂的工程性質，這一微生物成礦作用被稱為微生物誘導方解石沉積(MICP)技術[2]，其碳酸鈣產物作為新一代膠凝材料，即微生物水泥。

微生物誘導礦化反應生成物質為碳酸鈣，其本身為一種天然石材，不僅具有優異的環境友好性和耐久性，而且與水泥基材料相容性極佳。近年來，運用微生物礦化技術修復混凝土缺陷在許多國家逐漸開展，并展現出良好的應用前景。

本研究主要針對混凝土表面缺陷修復問題，在室內工藝參數優選試驗的基礎上，于2021年1月在某碼頭進行了現場混凝土表面缺陷修補試驗研究。試驗期間當地氣溫18～29 ℃，平均氣溫22.6 ℃，風速2～4級。

1 微生物水泥制備

試驗所用菌種為巴氏芽孢八疊球菌，培養液配方為酵母提取物20 g/L，Tris 15.75 g/L，培養液經121 ℃高壓滅菌20 min，待其冷卻至50～60 ℃時，根據需要加入(NH4)2SO4溶液至濃度為10 g/L，并用1 mol/L的NaOH調節pH值至9。取0.2 mL菌液以2%接種量注入培養基內，在30℃下，以轉速200 r/min進行振蕩培養，至活化成功。取活化后的菌液以2%接種量注入錐形瓶400 ml培養基內，同樣條件下振蕩培養，持續約12 h，控制菌液OD600值在0.8～1.2之間。

2 工藝參數優選

除特別說明外，工藝參數優選試驗采用60 mL塑料注射器作為試模，選取(40～60目)∶(60～120目)∶(100～200目)為40∶40∶20的混合石英砂作為填充砂，其最大粒徑約0.38 mm，小于0.15 mm細顆粒含量約20%，砂柱尺寸為Φ30 mm×60 mm，填充空隙率為48.1%，試驗每組3塊。微生物水泥菌液OD600值為0.8～1.2，脲酶活性為3～5 mmol/min，營養液濃度為1.0 mol/L，其中鈣鹽為氯化鈣，與尿素摩爾比為1∶1。試驗時首先注入去離子水，靜置24 h后注入菌液及營養液，注入速度3～5 mL/min，菌液靜置時間2 h，每日注入一次，置于30 ℃恒溫水浴中養護，連續注入3次后試驗結束，水浴中繼續靜置3 d，70 ℃下烘干，從每塊砂柱的上、下部位分別取樣采用酸洗法測試碳酸鈣生成量。

2.1 鈣鹽優選

鈣鹽采用氯化鈣、醋酸鈣、溴化鈣，試驗結果見表1。由表1可知，鈣鹽為氯化鈣時，碳酸鈣生成量最多，且上、下部比例最均勻，膠結效果最好，醋酸鈣略差，溴化鈣最差。工程應用中考慮到Cl-對鋼筋的銹蝕作用，素混凝土宜采用氯化鈣，鋼筋混凝土宜采用醋酸鈣。

表1 鈣鹽優選試驗結果 %

2.2 菌液注入順序及靜置時間

試驗采用40～60目石英砂，裝模后插搗密實，空隙率為44.8%。營養液濃度為0.5 mol/L。試驗結果見表2。由表2可知，砂柱用水浸潤后，先注入菌液，靜置不同時間后再注入營養液，碳酸鈣生成量5.59%～5.65%，靜置時間延長，碳酸鈣生成量略有增加，但差別不大。砂柱上部碳酸鈣生成量多于下部，上部/下部為108%～117%。砂柱不浸潤直接注入菌液時，碳酸鈣生成量略低。菌液與營養液按1∶1體積比例混合后注入砂柱中，碳酸鈣生成量3.97%，明顯偏少，且上部生成量明顯高于下部，上部/下部高達138.4%。可見，菌液注入順序宜先注入菌液再注入營養液，綜合工藝考慮，菌液靜置時間2 h左右為宜。

表2 菌液注入順序及靜置時間試驗結果

2.3 菌液及營養液濃度

菌液OD600值分別為0.8、1.2、1.6，營養液濃度分別為0.5、1.0、1.5 mol/L。石英砂裝模后插搗密實，空隙率為37%。圖1為菌液濃度與碳酸鈣生成量關系，圖2為營養液濃度與碳酸鈣生成量關系。由圖1、2可知，菌液濃度相同時，碳酸鈣生成量隨營養液濃度呈線性增長，當營養液濃度分別為0.5、1.0、1.5 mol/L時，碳酸鈣生成量分別為2.54%～3.21%、4.62%～5.94%、6.94%～8.62%；營養液濃度相同時，OD600值為0.8～1.2時碳酸鈣生成量相差不多，當OD600值為1.6時，生成量明顯減少。砂柱上部、下部碳酸鈣生成量比例隨菌液濃度增加而增大，隨營養液濃度增加而降低，菌液OD600值為1.6時，上部/下部高達123%～150%。當菌液OD600值為0.8～1.2、營養液濃度為1.0 mol/L時，碳酸鈣生成量最均勻，上部/下部為98.6%～104.3%。因此，菌液OD600值宜為0.8～1.2，營養液濃度宜為1.0 mol/L左右。

圖1 菌液濃度與碳酸鈣生成量關系

圖2 營養液濃度與碳酸鈣生成量關系

2.4 砂柱密實性及石英砂中細粉含量

砂柱密實性優選試驗結果見表3。石英砂混合均勻后分一次裝模不插搗，一次裝模插搗、二次裝模插搗，其初始空隙率分別為37.0%、41.3%和48.1%。由試驗結果可見，碳酸鈣沉積量隨砂柱密實性的增加而有所降低，這主要是由于空隙率過低其可注性降低而導致的，因此，砂柱不宜過于密實。

石英砂中細粉含量優選試驗，營養液鈣鹽采用醋酸鈣，石英砂比例(40～60目)∶(60～120目)∶(100～200目)分別為50∶40∶10和40∶40∶20，其小于0.15 mm細粉含量分別為10%和20%，空隙率分別為49.0%和48.1%。微生物水泥注入次數由3次增至5次后結束，試驗結果見表4。由表4可知，當小于0.15 mm細粉含量為20%時，砂柱滲透性較差，注入5次后砂柱基本不可注；當小于0.15 mm細粉含量降至10%時，注入5次后菌液滲透性仍較好，可注性明顯提高。細粉含量10%時碳酸鈣生成量略多，但均勻性明顯提高，細粉含量20%時試件抗壓強度為2.43 MPa，細粉含量10%時試件抗壓強度為2.73 MPa，抗壓強度提高了10%以上。可見，石英砂中細粉含量宜為10%，砂柱空隙率不宜小于49%。

表3 砂柱初始密實性試驗結果 %

表4 石英砂級配優選試驗結果 %

3 混凝土表面缺陷修補

3.1 場地選取

碼頭現場選取了3處表面洼坑缺陷，如圖3所示。缺陷尺寸分別為①近圓形，直徑約100 mm，最深處約20 mm；②近長方形，面積約70 mm×25 mm，最深處約6 mm；③近長方形，面積約45 mm×15 mm，最深處約5 mm。

圖3 混凝土表面缺陷原貌

3.2 修補試驗

試驗過程中菌液OD600值為0.957～1.121，脲酶活性為3.885～4.066 mmol/min。營養液濃度為1.25 mol/L，營養液鈣鹽選用氯化鈣，鈣鹽與尿素摩爾比均為1∶1。

試驗過程如下：混凝土表面缺陷清理干凈后，先用混合石英砂將表面洼坑處填滿后并刮平，混合石英砂比例為(40～60目)∶(60～120目)∶(100～200目)=50∶40∶10，用3層紗布覆蓋表面以保證注入微生物水泥時表面的平整，用水充分浸潤石英砂，靜置1天。用吸管從表面緩慢注入菌液至充分注滿，約1～2 h后注入營養液，此為1次修復，見圖4。試驗從2021年1月22日開始至2021年2月2日結束，每日早晚各修復1次，中間間隔約8 h，連續進行12 d，共修復22次。為防止紫外線輻射，試驗期間始終采用木板覆蓋混凝土表面。試驗過程發現修復8次時石英砂表面已比較堅硬，22次時已基本不可注。試驗結束后，將表面打磨平整。混凝土表面缺陷修補后形貌見圖5。

圖4 混凝土表面缺陷修補

圖5 混凝土表面缺陷修復后形貌

3.3 修補效果檢測

3.3.1 芯樣檢測

選取面積最大缺陷處跨界面鉆取芯樣，取芯位置見圖6，芯樣形貌見圖7，芯樣直徑為43 mm，高度約為60 mm。觀察芯樣發現，修補處膠結砂堅硬致密，與混凝土界面粘接牢固。將芯樣切割成高徑比為1∶1的圓柱體，采用全自動壓力試驗機進行抗壓強度測試，加荷速度為2400 N/s，試驗結果為芯樣抗壓強度為23.4 MPa，破壞后芯樣形貌見圖8。由圖8可見，混凝土本體也已破壞。

圖6 取芯位置

圖7 芯樣形貌

圖8 破型后芯樣形貌

3.3.2 微觀檢測

芯樣破壞后，選取典型試塊進行掃描電鏡和能譜分析。微生物水泥膠結砂與混凝土界面處形貌與能譜分析結果見圖9和圖10，低倍掃描電鏡下，界面處可清楚觀察到混凝土表面生成致密的礦化產物，并密實混凝土孔隙，EDS光譜顯示礦化產物含有Ca、C、O、Si四種元素，其主要成分為CaCO3，Si為試驗用石英砂的主要成分。圖11為放大倍數分別為2K、5K、10K下微生物水泥膠結砂的微觀形貌，可在膠結砂中觀察到花簇狀、球狀等不同形貌的碳酸鈣晶體，微觀結構緊密。

圖12為微生物水泥膠結砂的XRD圖譜，XRD定量分析結果可知，微生物水泥膠結砂中晶體礦物的特征衍射峰為CaCO3，生成量為6%，SiO2的特征衍射峰為修補用石英砂，其含量為94%。

圖9 微生物水泥修復混凝土界面處形貌

圖10 微生物水泥修復混凝土界面處能譜分析

圖11 不同放大倍數下膠結砂微觀形貌

圖12 微生物水泥膠結砂XRD圖譜

4 結 論

采用一定級配石英砂填充混凝土表面缺陷，反復注入微生物水泥，在適宜的養護環境下，可誘導產生碳酸鈣，并填充、膠結砂顆粒之間空隙，實現對缺陷的修復。

跨界面鉆取芯樣觀察，微生物膠結砂堅硬致密，與混凝土界面粘接牢固。芯樣抗壓強度為23.4 MPa。

微觀檢測表明，微生物水泥在混凝土界面處生成致密的礦化產物，并密實混凝土孔隙，膠結砂中可觀察到沉積的碳酸鈣晶體，微觀結構緊密，CaCO3沉積量為6%。