基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)技術(shù)研究

李 娜，王麗娟，李 凱，符 平

(中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)技術(shù)研究

李 娜，王麗娟，李 凱，符 平

(中國水利水電科學(xué)研究院， 北京 100044)

通過混凝土裂縫修復(fù)試驗(yàn)，混凝土表面防護(hù)試驗(yàn)及混凝土粘結(jié)試驗(yàn)等多種手段研究了基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)的效果和適用范圍，研究表明：利用微生物在新陳代謝過程中發(fā)生的礦化作用，誘導(dǎo)形成碳酸鈣，可以對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行修復(fù)，適合修復(fù)寬度在200 μm以下的裂縫。利用硅藻土作為載體，可以使微生物附著在混凝土表面生長，形成致密的防護(hù)層。在混凝土裂縫中涂抹菌液，可以粘結(jié)試塊，提高其抗拉強(qiáng)度。

微生物；礦化；碳酸鈣；混凝土缺陷；修復(fù)

我國擁有近10萬座水庫大壩，100 m以上混凝土壩數(shù)量仍在不斷增加?；炷?xí)虺休d力過大、沉降不均勻、溫差變化、塑性收縮等原因產(chǎn)生裂縫，影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定和安全，因此，及時(shí)對(duì)混凝土的裂縫進(jìn)行修復(fù)，對(duì)病險(xiǎn)水工建筑物進(jìn)行加固是至關(guān)重要的。目前，修復(fù)混凝土裂縫的方法有很多，有表面噴涂、裂縫灌漿、裂縫填充等，這些方法大多是采用一些化學(xué)灌漿材料進(jìn)行修復(fù)，很多與水泥基材料為不相容的異性材料，并且通常含有有害成分，會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生一定的負(fù)面影響。Gollapudi U K等[1]于1995年提出了基于微生物礦化機(jī)理的混凝土裂縫的微生物自修復(fù)方法，Jonkers H M等[2-4]就生物質(zhì)與水泥基體的相容性做了許多測試，Muynck W D等[5-7]的一系列研究表明，利用球形芽孢桿菌作為修復(fù)劑對(duì)混凝土進(jìn)行修復(fù)后，混凝土基體的毛細(xì)吸水率、抗氣滲性、抗碳化及氯離子滲透性、抗凍性均有較大程度的提高。Wang J Y等[8-9]在試驗(yàn)中采用硅膠作為固載材料，提高了混凝土高堿環(huán)境下細(xì)菌的存活率。王瑞興等[10-11]、錢春香等[10-12]利用裂縫測寬儀、掃描電鏡和熱重分析對(duì)混凝土裂縫的微生物自我修復(fù)效果進(jìn)行了研究。

利用微生物在新陳代謝過程中發(fā)生的礦化作用，進(jìn)行誘導(dǎo)形成碳酸鈣，可以對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行修復(fù)，其最大的優(yōu)點(diǎn)是環(huán)境友好且與混凝土基材相容性好。目前國內(nèi)相關(guān)的研究較少，利用微生物的生化機(jī)理進(jìn)行混凝土缺陷修復(fù)的效果評(píng)價(jià)指標(biāo)尚不完善。本文通過混凝土裂縫修復(fù)試驗(yàn)，混凝土表面防護(hù)試驗(yàn)，混凝土粘結(jié)試驗(yàn)等多種手段研究了基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)的效果和適用范圍。

1 微生物修復(fù)機(jī)理與試驗(yàn)方法

基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)機(jī)理是通過尿素水解、硫酸鹽還原、脂肪酸發(fā)酵等微生物生化過程產(chǎn)生碳酸根離子，同時(shí)微生物細(xì)菌細(xì)胞膜界面處帶負(fù)電荷的有機(jī)質(zhì)不斷吸附帶正電荷的鈣離子，在細(xì)菌周圍就會(huì)形成具有膠凝作用的碳酸鈣結(jié)晶，通過碳酸鈣的不斷沉積可以對(duì)混凝土缺陷進(jìn)行修復(fù)[13-14]。

根據(jù)已有的研究成果，尿素水解的方式容易控制，生成碳酸鈣沉淀的效率最高[15]。試驗(yàn)采用巴氏芽孢桿菌(編號(hào)ATCC 11859)，培養(yǎng)液采用ATCC1376，每升培養(yǎng)液含有酵母提取物20 g、10 g(NH4)2SO4、0.13 M的Tris緩沖液，營養(yǎng)液采用尿素、硝酸鈣及氯化鈣混合制成，每升營養(yǎng)液含有72 g N2NCONH2、141 g Ca(NO3)2、88.2 g Ca(Cl)2。實(shí)驗(yàn)過程選擇10%的接種比例、30℃培養(yǎng)溫度及pH=8的營養(yǎng)液環(huán)境對(duì)微生物進(jìn)行振蕩培養(yǎng)24 h至穩(wěn)定期。

1.1 混凝土裂縫修復(fù)試驗(yàn)

采用150 mm×150 mm×150 mm的模具制作C30混凝土試塊，設(shè)置不同對(duì)照組，第1組試塊初凝后插入厚1 mm的鐵片預(yù)制縫，在旁邊插入鐵絲制作灌注孔，在終凝后拔出養(yǎng)護(hù)7 d。第2組和第3組試塊終凝養(yǎng)護(hù)7 d后切割2 mm厚的裂縫。第1組和第2組采用注射器間隔注射微生物菌液和混合鈣源，每天灌注2次，連續(xù)注射1周后進(jìn)行自然晾干養(yǎng)護(hù)。第3組在裂縫中填充60目的細(xì)砂，然后向細(xì)砂中間隔灌入微生物菌液和混合鈣源，每天灌注2次，連續(xù)灌注1周后進(jìn)行自然晾干養(yǎng)護(hù)。

圖1混凝土試塊制作

1.2 混凝土表面防護(hù)試驗(yàn)

采用150 mm×150 mm×150 mm的模具制作不同規(guī)格的C30混凝土試塊，設(shè)置不同對(duì)照組，養(yǎng)護(hù)7 d后待用。

(1) 浸泡覆膜。將第1組混凝土試塊放入燒杯中，將菌液和鈣鹽以2∶3比例混合后倒入燒杯直至沒過試塊上表面10 cm左右，靜置1周后取出觀察覆膜效果。

(2) 表面涂刷。將培養(yǎng)至穩(wěn)定期的菌液，采用高速冷凍離心機(jī)于0℃～4℃、5 000 r/min、離心10 min，將菌液濃度(OD600)分別濃縮為2、5、15，將菌液和鈣鹽以2∶3比例混合后分別涂刷于第2組試塊表面，然后于室溫下晾置1周后觀察覆膜效果。

(3) 固載覆膜。采用多孔載體對(duì)微生物進(jìn)行保護(hù)，避免微生物與混凝土堿性環(huán)境直接接觸，為微生物的生長與繁殖提供微環(huán)境。將菌液和鈣鹽以2：3比例混合，涂刷于第3組—第5組試塊表面，分別涂刷聚氨酯、環(huán)氧樹脂、硅藻土漿液進(jìn)行固載，再將菌液和鈣鹽以2：3比例混合進(jìn)行第2遍涂刷，然后于室溫下晾置1周后觀察覆膜效果。

1.3 混凝土粘結(jié)試驗(yàn)

采用8字模具制作混凝土試塊，設(shè)置不同對(duì)照組，養(yǎng)護(hù)7 d后待用，8字模塊縫隙寬約0.2 mm。

將培養(yǎng)至穩(wěn)定期的菌液，采用高速冷凍離心機(jī)于0℃～4℃、5 000 r/min、離心10 min，將菌液濃度(OD600)分別濃縮為2、5、15，將不同濃度的菌液分別涂抹于第1組8字試塊的中間縫隙處，然后綁上橡皮筋，在縫隙側(cè)面和底面用橡皮泥封堵，從試塊上面縫隙處注射混合鈣源，每天注射2次，注射3 d后在室溫下晾置7 d，對(duì)粘結(jié)后的試塊測試其抗拉強(qiáng)度。將第2組8字試塊15用橡皮筋綁扎，放入燒杯中，將菌液和鈣鹽以2∶3比例混合后倒入燒杯直至沒過試塊上表面10 cm左右，靜置1周后取出觀察粘結(jié)效果。

2 試驗(yàn)成果及分析

對(duì)裂縫修復(fù)前后的混凝土試塊做了抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，典型試驗(yàn)結(jié)果見表1。試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于1 mm寬的裂縫，灌注菌液和鈣液后，縫隙中生成少量白色結(jié)晶體，但未完全填充，試樣強(qiáng)度變化不大，對(duì)于2 mm寬的裂縫，直接灌注菌液和鈣液的混合液效果不明顯，試樣強(qiáng)度變化也不大；在裂縫中填充細(xì)砂后再灌入菌液和鈣液，裂縫內(nèi)部產(chǎn)生了明顯的白色結(jié)晶體，試樣強(qiáng)度提高了73%。

表1 裂縫修復(fù)效果

混凝土覆膜試驗(yàn)結(jié)果(見圖2)表明，浸泡覆膜的方式可以在試塊表面沉積形成較厚的防護(hù)層，但是質(zhì)地疏松，粘結(jié)強(qiáng)度不高；表面涂刷的方式可以在混凝土表面生成一層薄薄的防護(hù)層，當(dāng)菌液濃度增加時(shí)，覆膜厚度略有增加；采用固載涂刷的方式為微生物提供了較好的生長與酶化條件，利用硅藻土進(jìn)行固載的方式效果最好，可見有明顯的白色防護(hù)層。

圖2表面防護(hù)試驗(yàn)典型試樣

對(duì)浸泡覆膜和固載覆膜的試樣進(jìn)行了掃描電鏡分析，由圖3可以看出，浸泡覆膜的試樣，由微生物礦化沉積形成的結(jié)晶體尺寸最大可達(dá)200 μm，呈不規(guī)則球形，大小不均勻。由圖4可以看出，固載覆膜的試樣，由微生物礦化沉積形成的結(jié)晶體尺寸較小，在10 μm左右，包裹均勻致密，晶體多呈不規(guī)則柱狀聚集。由圖5的能譜分析可以看出，微生物結(jié)晶體的主要成分是CaCO3。

圖3 浸泡覆膜的混凝土試樣

圖4固載涂刷的混凝土試樣

對(duì)粘結(jié)后的8字混凝土試塊做了抗拉強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比。由圖6和表2可以看出，采用在縫隙中涂抹菌液，然后再連續(xù)多次灌入鈣液的方式，可以將8字試塊粘結(jié)在一起，菌液濃度為5時(shí)效果最好，抗拉強(qiáng)度達(dá)246 kPa；而采用浸泡的方式，由于縫隙較小，菌液和鈣液混合后很快生成沉淀，沉積于試塊表面，難以滲入縫隙，因此粘結(jié)效果不好，抗拉強(qiáng)度較低。

圖5 微生物結(jié)晶體能譜分析圖

圖6 8字混凝土試塊粘結(jié)效果

3 結(jié) 論

基于微生物成因的混凝土缺陷修復(fù)技術(shù)具有綠色環(huán)保、與水泥基材相容性好等優(yōu)點(diǎn)。通過混凝土裂縫修復(fù)試驗(yàn)，混凝土表面防護(hù)試驗(yàn)及混凝土粘結(jié)試驗(yàn)，結(jié)合掃描電鏡分析及強(qiáng)度試驗(yàn)對(duì)比，研究了微生物修復(fù)混凝土缺陷的效果和適用范圍，可以得出如下結(jié)論：

(1) 微生物芽孢尺寸較小，適合于修復(fù)寬度在200 μm以下的裂縫，對(duì)于寬度較大的裂縫，難以在菌核周圍聚集結(jié)晶，建議使用細(xì)砂等骨料填充后再進(jìn)行微生物灌注效果較好。

(2) 浸泡覆膜的方式形成的防護(hù)層較厚，最大結(jié)晶體尺寸為200 μm左右，但因?yàn)橹饕恐亓ψ饔贸练e而成，質(zhì)地疏松，粘結(jié)強(qiáng)度小。表面涂刷的方式形成的防護(hù)層較薄，但比較均勻致密。采用載體覆膜技術(shù)，可以使微生物附著在混凝土表面生長，形成致密的防護(hù)層，而硅藻土為無毒的多孔材料，固載效果較好，比較適合作為載體材料。

(3) 在8字混凝土模塊縫隙中涂抹菌液，然后再連續(xù)多次灌入鈣液，可以較好的粘結(jié)試塊，抗拉強(qiáng)度達(dá)246 kPa。

(4) 微生物修復(fù)混凝土缺陷的速度較慢，需要1周至2周時(shí)間，不適合于緊急修復(fù)情況。

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ConcreteDefectRepairTechnologyBasedonMicrobialMechanism

LI Na, WANG Lijuan, LI Kai, FU ping

(ChinaInstituteofWaterResourcesandHydropowerResearch,Beijing100044,China)

The effects and application range of concrete defects repair based on microbial mechanism are analyzed by several methods such as concrete crack repair test, concrete surface protection test and concrete bond test. The results indicate that the use of mineralization occurring in the process of metabolism of microorganisms induces the formation of calcium carbonate which can repair the concrete defects, which is suitable for repairing cracks under width of 200 μm. Using diatomite as a carrier, microorganisms can adhere to and grow on the surface of concrete to form a dense protective layer. Applying bacteria solution to concrete cracks can bond test block to improve the tensile strength.

microbes;mineralization;calciumcarbonate;concretedefects;repair

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.05.029

2017-05-26

2017-06-24

中國水科院科研專項(xiàng)監(jiān)實(shí)驗(yàn)科研項(xiàng)目(EM0112B09201600000)

李 娜(1980—)，女，河南泌陽人，高級(jí)工程師，主要從事工程安全監(jiān)測及地基基礎(chǔ)處理的研究及應(yīng)用。E-mail：lina1@iwhr.com

TU528

A

1672—1144(2017)05—0163—04