微生物修復(fù)水工混凝土力學(xué)性能與微觀機(jī)理研究

婁 巖，馮 濤，胡艷芳

(1.北京市南水北調(diào)環(huán)線管理處，北京 100176；2.北京市城市河湖管理處，北京 100085)

0 引 言

水利工程運(yùn)行過程中，水工混凝土在復(fù)雜環(huán)境影響下極易出現(xiàn)裂縫，若不及時(shí)修復(fù)，將會(huì)引起內(nèi)部鋼筋與混凝土性能的加速劣化，嚴(yán)重威脅樞紐的運(yùn)行安全與長期穩(wěn)定[1-3]。工程實(shí)踐中，出現(xiàn)過大壩因壩體溫度或收縮裂縫引起失事的案例[4]。因此，采取有效措施修復(fù)水工混凝土裂縫，對(duì)水利工程的長期穩(wěn)定性與安全性具有重要意義。

傳統(tǒng)的混凝土裂縫修復(fù)方法包括灌漿、嵌縫、封堵等，廣泛應(yīng)用于水工混凝土裂縫修復(fù)中[5]，但這些傳統(tǒng)修復(fù)方法存在不足。傳統(tǒng)方法常采用有機(jī)化學(xué)材料，一方面部分有機(jī)材料具有一定的毒性，對(duì)環(huán)境和人體產(chǎn)生不利影響；另一方面有機(jī)材料與混凝土材料的膨脹性存在一定差異，導(dǎo)致二者相容性較差[6-7]。因此，研究人員開始致力于研究環(huán)境友好、成本低廉且能有效修復(fù)水工土裂縫的新材料。

微生物成礦學(xué)方面的研究表明，一些微生物在特定條件下可通過新陳代謝析出礦物結(jié)晶，如碳酸鹽等[8]。由此研究提出了MICP技術(shù)，利用微生物的新陳代謝誘導(dǎo)環(huán)境中的鈣離子沉積生成具有膠凝性質(zhì)的碳酸鈣，這一技術(shù)具有相容性與耐久性良好、無毒無害、環(huán)境友好、操作簡(jiǎn)便、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)[9]，為修復(fù)水工混凝土裂縫提供了新思路。自Adolphe[10]首次提出將MICP技術(shù)應(yīng)用于建筑材料保護(hù)領(lǐng)域以來，學(xué)者們開展了大量的研究探索。Sookie S. Bang[11]使用巴氏芽孢桿菌砂漿填充人工裂縫，結(jié)果顯示試件的壓強(qiáng)度與剛度均有所增強(qiáng)。王瑞興等[12]的研究表明，微生物砂漿能有效恢復(fù)裂縫混凝土的強(qiáng)度，灌漿后試件抗壓強(qiáng)度增強(qiáng)1.7倍，恢復(fù)到初始強(qiáng)度的82%。

現(xiàn)有MICP技術(shù)研究中，大都是基于普通混凝土開展，針對(duì)微生物修復(fù)水工混凝土裂縫的研究不多。而水工混凝土的配比與普通混凝土有較大差異，有必要開展研究探索MICP技術(shù)在水工混凝土中的應(yīng)用效果。因此，本次研究在水工混凝土裂縫試件上運(yùn)用MICP技術(shù)，通過抗折強(qiáng)度測(cè)試，描述裂縫試件的粘結(jié)效果，觀察分析膠凝礦物的微觀形貌與粘接機(jī)理，為MICP技術(shù)應(yīng)用于水工混凝土裂縫修補(bǔ)提供參考。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

1.1 試驗(yàn)材料

本次試驗(yàn)選用的微生物為科氏芽孢桿菌，屬于化能異養(yǎng)菌，具有好氧嗜堿特點(diǎn)，能適應(yīng)高堿環(huán)境；微生物鈣源選用乳酸鈣；水工混凝土試件配合比參考某面板壩，即水∶水泥∶砂∶骨料∶粉煤灰=0.5∶1.0∶2.1∶5.0∶0.3，水泥采用PO42.5，砂為細(xì)度模數(shù)2.78的人工砂，因試件尺寸限制，骨料采用等量人工砂替換，其他添加劑包括高效聚羥酸減水劑與AIR202型引氣劑。

1.2 試驗(yàn)方案

從現(xiàn)有研究可以看出，微生物可以有效提高裂縫混凝土的力學(xué)性能[13]。為進(jìn)一步探索微生物在修復(fù)水工混凝土中的效果，制備了帶裂縫的水泥砂漿試件，利用高濃度菌泥的MICP作用，將裂縫試件粘結(jié)后，測(cè)試修復(fù)后樣品的抗折強(qiáng)度，并進(jìn)一步通過SEM電鏡觀察膠凝礦物的微觀形貌。

1.3 試驗(yàn)步驟

1)制備試件。試件制備上借鑒了王曉梅[14]在混凝土裂縫修復(fù)方面的研究，首先根據(jù)前述水工混凝土配合比制備Φ10cm×H3cm的水泥砂漿圓餅試件，接著在養(yǎng)護(hù)7d后，沿著直徑切割出深5mm、寬3mm的凹槽，然后通過MTS將試件沿著凹槽壓斷，最后將斷裂的試件拼合，拼合裂縫按0.2～0.4mm控制，水中養(yǎng)護(hù)180d后開展試驗(yàn)，共制備3個(gè)裂縫試件。

2)制備菌泥。將科氏芽孢桿菌接種至無菌液體培養(yǎng)基，于恒溫?fù)u床內(nèi)培養(yǎng)48h后，制備成濃度3.6×109cells/ml的菌液，使用臺(tái)式離心機(jī)離心萃取出菌泥備用。

3)配制營養(yǎng)鹽。采用乙酸鈣與尿素配置成等摩爾濃度的混合溶液(0.5mol/L)。

4)試件粘接。首先將菌泥均勻涂抹在試件斷面上，然后將試件拼合并使用橡皮筋固定，最后將營養(yǎng)鹽通過花管進(jìn)入凹槽后滲入裂縫，持續(xù)2d后取出試件進(jìn)入下一步試驗(yàn)。

5)抗折強(qiáng)度試驗(yàn)。通過多功能加載機(jī)測(cè)試計(jì)算粘接試件裂縫的抗折強(qiáng)度。

6)SEM電鏡掃描試驗(yàn)。利用SEM電鏡觀察膠凝礦物的微觀形貌，進(jìn)一步從微觀角度分析微生物修復(fù)水工混凝土裂縫的機(jī)理。

2 試驗(yàn)成果分析

2.1 微生物修復(fù)裂縫試件的抗折強(qiáng)度

在微生物修復(fù)試件裂縫期間，可以觀察到裂縫的周邊產(chǎn)生了大量白色晶體，且伴隨著濃重的氨氣味，修復(fù)2d后，斷裂試件粘結(jié)到一起。抗折強(qiáng)度試驗(yàn)成果見圖1。可以看到，3個(gè)試件的粘接裂縫抗折強(qiáng)度分別為159.4、188.7、197.2kPa，說明裂縫已成功粘接且具有一定強(qiáng)度，但抗折強(qiáng)度的離散性較大，最大抗折強(qiáng)度與最小抗折強(qiáng)度之間相差20%以上。分析原因認(rèn)為，試驗(yàn)過程中存在一些難以穩(wěn)定控制因素，如拼合裂縫的寬度、涂抹菌泥體積、粘接面面積等。試驗(yàn)中，測(cè)試了3個(gè)試件底部的表觀裂縫寬度，分別為0.2、0.4、0.3mm，最大縫寬差異達(dá)到100%；涂抹菌泥過程中也會(huì)有涂抹不均勻、菌液被擠出的現(xiàn)象。為模擬真實(shí)裂縫面凹凸不平的特點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)中采用壓折形成裂縫方式，但同時(shí)也存在各試件裂縫面面積不一致而影響粘接效果的不足。

圖1 試件抗折強(qiáng)度

2.2 膠凝礦物微觀形貌

使用SEM掃描電子顯微鏡觀察試樣帶膠凝礦物的斷裂面，觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖見圖2，SEM電鏡照片見圖3。可以看出，膠凝礦碳酸鈣存在多種晶型，可以觀察到六面體的方解石、針簇狀的文石，還有部分表現(xiàn)為球狀、萵苣狀形貌。3個(gè)觀測(cè)點(diǎn)的碳酸鈣晶型構(gòu)成差異明顯：點(diǎn)1處含量較多的是針簇狀的碳酸鈣結(jié)晶，以及少部分的球狀、萵苣狀碳酸鈣；點(diǎn)2處的針簇狀結(jié)晶的數(shù)量顯著減少，六面體結(jié)晶與球狀碳酸鈣增多；點(diǎn)3處只能觀察到少量針簇狀結(jié)晶，碳酸鈣大都以六面體方解石、球狀、萵苣狀的形式呈現(xiàn)，同時(shí)還可以觀察到部分底物。分析原因認(rèn)為，微生物的生長受到環(huán)境因素的影響，靠近凹槽點(diǎn)1處的氧氣與鈣源充裕，最適宜微生物生長，因此其活性較高，產(chǎn)生的碳酸鈣較多；由上到下環(huán)境條件越來越苛刻，氧氣、鈣源含量遞減，微生物生長受限，產(chǎn)生的碳酸鈣也就越少，到點(diǎn)3處出現(xiàn)底物未充分被碳酸鈣覆蓋的現(xiàn)象；生成碳酸鈣的晶型也受到環(huán)境因素的影響，具體原理還有待進(jìn)一步開展研究。

圖2 觀測(cè)點(diǎn)位置示意圖

圖3 膠凝礦物微觀形貌

2.3 裂縫粘接機(jī)理分析

從現(xiàn)有研究來看，MICP技術(shù)修補(bǔ)混凝土裂縫的原理為，微生物在砂粒“接觸點(diǎn)”處生成碳酸鈣結(jié)晶，進(jìn)而增強(qiáng)裂縫混凝土的強(qiáng)度[15]。據(jù)此推測(cè)本次研究中裂縫試件的粘結(jié)模型如下：裂縫試樣斷裂面拼合后見圖4，斷裂面之間至少存在一個(gè)接觸點(diǎn)，接觸點(diǎn)上側(cè)類似為V形槽；涂抹菌泥后，菌泥在重力作用下向下流動(dòng)，接觸點(diǎn)以上菌泥殘留較多，接觸點(diǎn)以下的菌泥殘留較少；加入營養(yǎng)鹽后，微生物通過新陳代謝生成碳酸鈣，將裂縫粘接到一起，接觸點(diǎn)上側(cè)由于菌泥、營養(yǎng)鹽等較為充裕，產(chǎn)生的碳酸鈣較多；接觸點(diǎn)下側(cè)則相反，產(chǎn)生的碳酸鈣較少。從粘接后的斷裂面可以看出，斷裂面上部白色碳酸鈣明顯多于下部白色碳酸鈣，分析認(rèn)為分界線即為前述的“接觸點(diǎn)”。

3 結(jié) 論

本次研究制備了水工混凝土裂縫試件，并利用MICP技術(shù)對(duì)其進(jìn)行粘接，通過抗折強(qiáng)度測(cè)試描述裂縫試件的粘結(jié)效果，觀察分析膠凝礦物的微觀形貌與粘接機(jī)理。結(jié)論如下：

圖4 粘接模型示意圖

1)MICP技術(shù)能成功粘接水工混凝土裂縫試件，粘接裂縫抗折強(qiáng)度在150～200kPa之間，強(qiáng)度離散性較大的原因在于，如拼合裂縫的寬度、涂抹菌泥體積、粘接面面積等因素難以穩(wěn)定控制。

2)MICP技術(shù)形成的膠凝礦碳酸鈣存在多種晶型，包括方解石、文石，部分碳酸鈣為球狀、萵苣狀。

3)裂縫接觸點(diǎn)通過影響微生物的環(huán)境因素，進(jìn)而影響微生物合成碳酸鈣的數(shù)量和晶型。

4)本次研究的不足之處在于，未探明影響碳酸鈣晶型的具體原理，有待進(jìn)一步開展研究。