混菌礦化增強再生粗骨料的物理力學性能

張家廣，陳景琦，孟慶玲，許順順，劉元珍

（太原理工大學土木工程學院，山西 太原 030024）

再生混凝土粗骨料（RCA）表面附著一些舊水泥砂漿，且在破碎過程中其表面和內部會產生大量裂紋，因此具有密度小、吸水率高、界面黏結力差等缺點［1-2］.目前，再生粗骨料性能增強的方法主要有物理方法［3-4］、化學方法［5-6］和微生物礦化方法［7-9］.物理方法和化學方法存在成本高、能耗大、處理工藝復雜等缺點.微生物礦化沉積（MICP）方法利用的是礦化微生物的碳酸鈣誘導沉積功能，且因沉淀物耐久性能良好并易附著膠結于砂漿和骨料表面，從而可以有效填充或黏結具有滲透性的有孔介質［10-11］.

Wang 等［7］研究發現微生物增強再生骨料的質量增長率達2.5%，吸水率降低幅度達到20%.Qiu 等［8］研究發現微生物增強再生骨料的性能明顯提高.Wu等［9］研究發現粒徑較小的再生骨料增強效果更好.然而，當前大多學者用于骨料增強處理的礦化微生物為單一類型的微生物（純菌），而純菌礦化過程需要適宜的環境條件，其抵御環境變化的魯棒性不足，且培養費用較高.與純菌相比，多種礦化微生物組成的微生物群（混菌）礦化效率更高，培養費用僅為純菌的1/3 左右［12-14］.

綜上，為提高再生粗骨料物理力學性能增強效果并顯著降低其處理成本，本文提出了一種混菌礦化增強再生粗骨料物理力學性能的方法，并對礦化增強處理的再生粗骨料物理力學性能、再生混凝土坍落度和抗壓強度進行試驗研究，驗證了提出的再生粗骨料性能增強方法的有效性.

1 試驗

1.1 微生物選用與培養

為了比較好氧混菌與好氧純菌的礦化增強效率，采用科式芽孢桿菌作為純菌.將菌種凍干粉活化后，按照好氧型微生物的常規接種和培養方法，利用液體培養液對芽孢桿菌進行大量培養.培養液配比為：每1 L 超純水中加入胰蛋白胨10 g、酵母浸粉5 g、氯化鈉10 g.培養液在搖床中經30 ℃、轉速120 r/min恒溫培養24 h 后，得到含芽孢桿菌菌體和孢子的菌液，再將所得菌液用超純水稀釋至其在600 mm 波長處的吸光值OD600=1.0.

由于不同碳源條件下篩選的微生物無機碳轉化率差別較大，為了得到最優無機碳轉化率下的好氧嗜堿混菌，本文以山西省晉中市污水處理廠活性污泥花園土壤為微生物源，在好氧條件下，以不同底物為碳源，篩選出具有優異礦化沉積能力的微生物群落.經過對比分析發現，以乳酸為碳源的好氧嗜堿混菌合成碳酸鹽能力最強，這與Tziviloglou 等［15］的研究結果相吻合.好氧混菌培養液配比為：每1 L 超純水中加入乳酸1 670 μL、氯化銨0.007 g、微量元素10 mL、礦物質10 mL.好氧混菌的富集方法為：在150 mL 的錐形瓶中分別加入10 mL 污泥混合液和100 mL 好氧混菌培養液，用Na3PO4將其pH 值調至11.0，用耐高溫組培封口膜覆蓋瓶口，在33 ℃恒溫振蕩培養箱中培養2 d；接著將上層清液去除，取下層底部的污泥混合溶液在相同操作下進行連續傳代富集，每隔1 個周期（2 d）重復上述操作，直至篩選出目標菌群；最后將富集馴化完成的微生物用甘油冷凍法置于-80 ℃冰箱中保存.

1.2 再生粗骨料的性能測試

1.2.1 再生粗骨料的選用

再生粗骨料含碎磚（RMA）和再生粗骨料不含碎磚（RPCA）購買自河北邯鄲某再生骨料廠，粒徑為5～20 mm，其表觀密度分別為2 576、2 586 kg/m3，吸水率（質量分數，文中涉及的吸水率、水灰比等均為質量分數或質量比）分別為7.4%、6.1%，粉碎指數分別為16%、15%.再生粗骨料的物理力學性能介于GB/T 25177—2010《混凝土用再生粗骨料》中的Ⅱ、Ⅲ類粗骨料之間.

1.2.2 再生粗骨料礦化增強方法

為了考察不同再生粗骨料吸附微生物方法對混菌礦化增強再生粗骨料效率的影響，設計了4 種再生粗骨料增強方法，并用混菌對RMA 進行了浸泡.浸泡增強過程中向溶液中及時泵入氧氣以保持恒定的溶解氧濃度，且浸泡增強采用的營養物質（nutrients）為質量濃度65 g/L 的乳酸鈣溶液，并用2 mol/L 的NaOH 溶液將其pH 值調節為7.0.RMA礦化增強方法示意圖見圖1.圖1 中：RMA-U 為僅采用營養物質溶液對RMA 進行浸泡，增強時間為10 d；RMA-D 為將好氧嗜堿混菌與營養物質混合溶液對RMA 進行浸泡，增強時間為10 d；RMA-V為先將保存的混菌利用超純水重懸為菌液，菌液OD600值為1.0，通過負壓吸附鍋將RMA在-0.06 MPa的壓力下吸附好氧嗜堿混菌菌液20 min，然后放入營養物質溶液中浸泡增強5 d，最后將RMA 再次吸附菌液并浸泡增強5 d；RMA-M 為先將RMA 真空吸附好氧嗜堿混菌20 min，然后將部分混菌與營養物質混合溶液對RMA 進行浸泡，增強時間為10 d.此外，為了避免增強處理后殘留營養物質對再生混凝土工作性能和力學性能的不利影響，對礦化增強后的再生粗骨料用清水連續浸泡3 次.

圖1 RMA 礦化增強方法示意圖Fig.1 Sohematic diagram of RMA mineralization enhancement methods

1.2.3 再生粗骨料礦化增強效果測試

為確定最優粗骨料礦化增強時間，采用混菌和RMA-V 的增強方法，設置增強時間t=5、10、15、20 d［16］.增 強處理完畢后，將再生粗骨料取出放入105 ℃烘箱烘干至恒重，并依據GB/T14685—2011《建筑用卵石、碎石》，分別測試不同增強時間下再生粗骨料的質量增長率W、表觀密度ρA、吸水率w和壓碎指標δa.

超聲波處理過程中，再生粗骨料表面弱結合的顆粒會從骨料表面脫落，因此質量損失率可以間接反映沉淀物與骨料表面的黏結效果［7］.將烘箱干燥處理過的再生粗骨料進行超聲波脈沖測試，考察骨料表面沉淀物與骨料表面的黏結效果.具體測試方法為：將樣品放置在1 mm 篩上，浸入超聲波容器中，加入超純水沒過樣品，以40 kHz 的頻率向樣品施加超聲脈沖5 min，收集經過超聲處理后的樣品，置于75 ℃烘箱中烘干至恒重.經過超聲波處理后的再生粗骨料質量損失率，即超聲波質量損失率WU，根據文獻［7］來計算.

為研究不同微生物對再生粗骨料物理力學性能的影響，采用RMA-V 的增強方法，制備了混菌礦化增強RMA和RPCA，分別記為RMA-MB、RPCA-MB；純菌礦化增強RMA 和RPCA，分別記為RMA-PB、RPCA-PB.

1.3 再生混凝土坍落度和抗壓強度測試

1.3.1 再生混凝土配合比

水泥為太原獅子頭水泥廠生產的42.5 級普通硅酸鹽水泥；再生粗骨料為RMA 和RPCA；砂子為某砂石場的中砂，其表觀密度為2 600 kg/m3，含泥量為0.4%，細度模數為2.6；減水劑為太原某廠家的聚羧酸高性能減水劑；水為自來水.

混凝土的水灰比mW∶mC=0.47，配合比m（骨料）∶m（砂）∶m（水泥）∶m（水）∶m（減水劑）=1 140.00∶588.00∶457.00∶215.00∶3.43.根據骨料對試件進行命名：將天然骨料制備的普通混凝土記為NAC（對照組）；將未經微生物礦化增強的RMA、RPCA 制備的混凝土記為RAC-U、MAC-U；將經混菌礦化增強的RMA、RPCA制備的混凝土記為RAC-MB、MAC-MB；將經純菌礦化增強的RMA、RPCA 制備的混凝土記為RAC-PB、MAC-PB.

1.3.2 坍落度和抗壓強度測試

根據GB/T 50080—2016《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》，測試再生混凝土的坍落度.根據GB/T 50081—2019《混凝土物理力學性能試驗方法標準》，測試再生混凝土的立方體抗壓強度，試件尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，且在標準條件下養護28 d.

2 結果及分析

2.1 再生粗骨料表觀分析

混菌礦化增強前后RMA 的表觀圖見圖2.由圖2可見：未經礦化增強的RMA 表面附著較多的舊砂漿，且碎磚表面存在較多的裂紋；經混菌礦化增強后，再生粗骨料和碎磚表面均附著了1 層淡黃色礦化沉淀，該沉淀物有效地將舊砂漿和裂紋包裹填充，從而提高了再生粗骨料的物理力學性能.由此可見，混菌礦化能夠在再生粗骨料的缺陷部位形成1 層礦物沉淀，其與骨料具有較好的黏結性，可有效實現礦化修復骨料缺陷的目的.

圖2 混菌礦化增強前后RMA 的表觀圖Fig.2 Surface images of RMA before and after mineralization enhancement by mixed bacterial

2.2 再生粗骨料物理力學性能增強效果

2.2.1 微生物的影響

不同微生物對再生粗骨料物理力學性能的影響見圖3，由圖3 可見：與RMA、RPCA 相比，RMA-MB、RMA-PB、RPCA-MB 的質量增長率和表觀密度均顯著提高，吸水率、壓碎指標和超聲波處理質量損失率均顯著降低；RMA-MB 的質量增長率和表觀密度均高于RMA-PB，而其吸水率、壓碎指標和超聲波處理質量損失率均低于RMA-PB.由此可見，微生物礦化能夠有效提高再生粗骨料的物理力學性能，且混菌礦化比純菌礦化表現出更加優異的增強效果.這可能是因為微生物礦化沉積的碳酸鈣沉淀有效修復了再生粗骨料表面的缺陷部位，提高了其物理力學性能.與純菌相比，混菌由不同菌落組成，其抗環境沖擊能力更強，且混菌的菌落之間能夠相互交換代謝物或傳遞分子信號，使得混菌能夠承擔更多或者更復雜的任務，從而使混菌礦化魯棒性更強，能夠呈現出效率更高和穩定性更強的礦化沉積能力［12-14］.

圖3 不同微生物對再生粗骨料物理力學性能的影響Fig.3 Effect of different microorganisms on physical and mechanical properties of RCA

由圖 3 還可見，與 RPCA、RMA 相比，RPCA-MB 和RMA-MB 的質量增長率分別為2.21%、2.66%，表觀密度提高幅度均為2.1%，吸水率降低幅度分別為34.4%、34.6%，壓碎指標降低幅度分別為21.3%、23.1%.由此可見，再生粗骨料是否含碎磚對混菌礦化增強其物理力學性能的影響很小，混菌礦化增強對含碎磚的再生粗骨料性能提高幅度略高于不含碎磚的再生粗骨料.

2.2.2 增強方法的影響

不同增強方法對RMA 物理力學性能的影響見圖4.由圖4 可見：與RMA 相比，經混菌礦化增強處理后，RMA 的質量和表觀密度有一定程度的提高，吸水率、壓碎指標和超聲波處理質量損失率均降低；RMA-D 的質量增長率最高，達到3.1%，RMA-V 的質量增長率為2.8%，為RMA-D 的90.3%；RMA-V表觀密度最大，達到2 623 kg/m3，比RMA 提高了1.8%.由此可見，與其他增強方法相比，RMA-V 呈現出更好的質量和表觀密度增強效果.與RMA 相比，RMA-V 的吸水率、壓碎指標、超聲波處理質量損失率降低幅度最大，降低幅度分別達到26.0%、18.1%、65.3%.混菌礦化能夠有效降低RMA 的吸水率和壓碎指標，且采用2 次真空吸附混菌的RMA-V 呈現出更高的吸水率和壓碎指標降低程度.這可能是因為通過真空吸附方法，將混菌主動地吸附至RMA 表面的孔隙和微裂紋中，當浸泡營養物質溶液時，混菌礦化可以在骨料缺陷部位進行原位修復，減少了沉淀物在骨料無缺陷部位的附著，從而呈現出比直接浸泡混菌和營養物質溶液更高的骨料性能增強效率.

圖4 不同增強方法對RMA 物理力學性能的影響Fig.4 Effect of different enhancement methods on physical and mechanical properties of RMA

2.2.3 增強時間的影響

不同增強時間對RMA-V 物理力學性能的影響見圖5.對再生粗骨料的質量增長率和表觀密度而言：隨著增強時間的延長，RMA-V 的質量增長率和表觀密度逐漸提高；當增強時間為5～20 d 時，RMA-V 的質量增長率和表觀密度變化與增強時間呈近似線性關系；經過20 d 礦化增強后，RMA-V 的質量增長率達到2.9%，表觀密度達到2 656 kg/m3，比RMA 提高了3.1%.對再生粗骨料的吸水率和壓碎指標而言：隨著礦化增強時間的延長，RMA-V 的吸水率和壓碎指標呈現先降低后提高的趨勢；當增強時間為0～15 d 時，RMA-V 的吸水率和壓碎指標隨著增強時間的延長而不斷降低，當增強時間達到15 d 時，其吸水率和壓碎指標達到最低值，分別為4.1%、11.2%，與RMA 相比，降低幅度分別達到44.6%、30.0%；當增強時間大于15 d 時，RMA-V 的吸水率和壓碎指標隨著增強時間的延長緩慢增加.對再生粗骨料的超聲波質量損失率而言：隨著礦化增強時間的延長，RMA-V 的超聲波質量損失率逐漸降低，但其降低幅度逐漸減小；當礦化增強時間超過15 d 后，RMA-V 超聲波質量損失率降低幅度很小，基本保持在0.1%左右.綜上，延長混菌礦化增強時間能夠有效提高再生粗骨料吸水率和壓碎指標降低程度，但礦化增強時間存在最優值15 d，增強時間超過該最優值后，再生粗骨料吸水率和壓碎指標反而會出現升高.這可能是因為如果增強時間過長，微生物礦化附著在再生粗骨料表面的沉淀物厚度較大，將使后續生成的碳酸鈣沉淀密實度降低，并且與已附著沉淀物之間的黏結力降低.

圖5 不同增強時間對RMA-V 物理力學性能影響Fig.5 Effect of different enhanced time on physical and mechanical properties of RMA-V

2.3 再生混凝土坍落度與抗壓強度

再生混凝土的坍落度和抗壓強度見圖6.由圖6可見：與NAC 相比，RAC-U、RMC-U 坍落度均出現明顯降低；再生粗骨料經微生物礦化處理后，混凝土的坍落度得到明顯提高，RAC-PB、MAC-PB 坍落度比RAC-U、RMC-U 分別提高了9.5%、15.8%，而RAC-MB、MAC-MB 分別提高了17.1%、27.4%，可見用混菌礦化增強比純菌礦化增強再生粗骨料對再生混凝土坍落度提高的幅度更大；MAC-U 的抗壓強度低于RAC-U，表明再生粗骨料中含碎磚對混凝土抗壓強度會產生不利影響；對再生粗骨料進行混菌和純菌礦化增強后，再生混凝土的抗壓強度得到明顯提高；與RAC-U、MAC-U相比，RAC-PB、MAC-PB 抗壓強度分別提高了17.8%、10.8%，而RAC-MB、MAC-MB 抗壓強度分別提高了22.1%、19.0%，表明采用混菌礦化增強粗骨料比純菌礦化增強粗骨料對再生混凝土抗壓強度的提高幅度更大.綜上，微生物礦化增強再生粗骨料能夠顯著地提高再生混凝土的坍落度和抗壓強度，且混菌礦化增強呈現出比純菌礦化增強更加優異的提高效果.這可能是因為微生物礦化沉積的碳酸鈣沉淀提高了再生粗骨料的物理力學性能，從而提高了其與水泥基材料界面過渡區的強度.在相同環境條件下，混菌能夠表現出比純菌更高的礦化增強效率，從而更加有效地提高再生混凝土的工作性能和力學性能.

圖6 再生混凝土的坍落度和抗壓強度Fig.6 Slump and compressive strength of recycled concrete

2.4 微觀結構分析

再生粗骨料表面的SEM 圖見圖7.由圖7 可見：未經礦化增強處理的再生粗骨料表面附著一些舊砂漿，且存在微裂縫，使其物理力學性能低于天然骨料；經過微生物礦化增強處理后的再生粗骨料表面生成一層碳酸鈣沉淀，沉淀物較密實、均勻地附著在骨料表面，并且將舊砂漿與微裂縫有效包裹，在宏觀角度表現為再生粗骨料的表觀密度提高、吸水率與壓碎指標降低等現象，從而實現增強再生粗骨料物理力學性能的目的；與純菌礦化相比，混菌礦化在再生粗骨料表面所生成的碳酸鈣沉淀晶體之間連接更加緊密，沉淀厚度更大，這與本文測試得到的再生粗骨料物理力學性能變化規律相吻合.

圖7 再生粗骨料表面的SEM 圖Fig.7 SEM images of the surface of RCA

3 結論

（1）相同環境條件下，好氧混菌礦化比純菌礦化表現出更好的再生粗骨料性能增強效果.再生粗骨料類型對混菌礦化增強粗骨料物理力學性能的影響很小；采用2 次真空吸附混菌比直接浸泡再生粗骨料表現出更好的再生粗骨料性能增強效果，混菌在再生粗骨料表面所生成的碳酸鈣沉淀晶體之間連接更加緊密.

（2）隨著增強時間的延長，再生粗骨料吸水率和壓碎指標呈現出先減小后增大的趨勢，礦化增強時間存在最優值15 d，增強時間超過該最優值后再生粗骨料性能可能出現降低.經15 d 的礦化增強后，再生粗骨料吸水率和壓碎指標降低幅度可分別達44.6%、30.0%.

（3）采用混菌礦化增強再生粗骨料比采用純菌礦化增強粗骨料對再生混凝土坍落度和抗壓強度的提高幅度更大，可分別達到27.4%、22.1%.