基于微生物礦物沉積的混凝土開裂自愈合★

閆睿 趙胤 楊豪 李佳鵬 劉瑤

(東北林業大學土木工程學院，黑龍江哈爾濱 150040)

0 引言

混凝土是目前世界上使用量最大、應用范圍最廣的工程材料，但因其彈性模量和抗拉強度較低，在外部載荷與溫度作用下不可避免地會產生微裂縫，這些微裂縫會極大降低混凝土的抗滲性、抗氯離子侵蝕以及抗碳化能力，因此，裂縫的修復方法一直以來都是學術界和工程界關注的焦點?；诖耍岢隽宋⑸锘炷亮芽p自修復性能研究。

1 試驗方案

在水泥砂漿中使用細菌來確定混合物裂縫自愈合效果。試驗采用枯草芽孢桿菌，沸石作為固定細菌和營養物的載體，采用不同引入技術摻入水泥砂漿，以評估對自愈合效果的影響。沸石如圖1所示。

1.1 微生物和載體的選取

細菌的選取需要滿足一定的要求，它應該是好氧的，能適應水泥砂漿的高壓、高堿環境，并且能夠誘導乳酸鈣產生碳酸鈣。本項目所選細菌為枯草芽孢桿菌，它符合在惡劣環境下生存的必要條件。

細菌不能直接添加到混凝土中，會降低細菌活性和活力。因此，選擇沸石作為細菌保護載體，由于其比表面積大和孔隙率高而用于固定微生物。

圖1 烘干的沸石

1.2 水泥砂漿試樣的制備

制備水泥砂漿的水泥采用P.O42.5普通硅酸鹽水泥;細骨料為普通河砂，細度模數2.8;制備試件的水為自來水。

用摻入的細菌誘導沉積碳酸鈣，需要在澆筑過程中提供合適的礦物基質和營養物。乳酸鈣被選為鈣源;酵母提取物因其在混凝土中的成功應用而被選為細菌生長培養基。

本試件水灰比為0.5，沸石按照等質量替換河砂的方式，設計了3組配合比，其中B0為對照組，未摻加菌液;B1組是在水泥砂漿混合物攪拌過程中直接摻入細菌溶液，未使用任何保護載體;B2組是使用沸石作為載體摻入細菌溶液的試樣。表1顯示了3種混合物的配合比。

表1 混合物配合比

試樣尺寸采用50 mm×50 mm×50 mm立方體，水泥砂漿試件攪拌后，裝模振搗，將模具放在振動臺振動10次后用抹子刮平，24 h脫模后在恒定的濕度和溫度條件下養護，然后取出備用。

1.3 裂縫制備與自愈合養護

制備裂縫時，將試樣在壓力試驗機下緩慢加載，速度控制在0.3 MPa/s左右，當試件發生咔咔的破裂聲而不會完全斷裂成兩半時停止加載，最終在上下表面中心處獲得寬度不同的縱向微裂縫，裂縫寬度控制在1 mm以內。

制造完裂縫后，為了便于在顯微鏡下觀察裂縫愈合效果，在選中觀測裂縫的垂直方向每隔1.0 mm標記一條橫線，大約選擇5個觀測點。三組試件裂縫養護均采用濕養護，將試件放在裝有水的塑料盆中進行裂縫愈合養護，定期往塑料盆里補水，保持水面始終高于試件;三組試件分別養護7 d，14 d和28 d后對標記裂縫處進行裂縫愈合寬度測量，通過觀察裂縫寬度變化確定自愈合效果。

1.4 表面裂縫修復情況

在開裂試件養護7 d，14 d和28 d后觀察并測量裂縫寬度，開始寬度和后期裂縫寬度的差值作為自愈合的度量。

2 試驗結果與分析

根據對裂縫寬度進行測量，確定試件的自愈過程有效性。水中修復養護7 d時，未添加愈合劑的B0組試件裂縫愈合效果不明顯，直接添加愈合劑的B1試件表現出部分裂縫愈合，沸石固載愈合劑的B2組試件裂縫愈合效果顯著;當修復養護達到28 d時，B0和B1組試件的表面開裂裂縫沒有發生明顯的愈合，B2組試件裂縫完全愈合，裂縫被連續的白色沉淀物填充。

3 結語

本文研究了微生物誘導的水泥砂漿裂縫自愈行為。在開裂養護7 d，14 d和28 d后，對裂縫愈合試樣的自愈能力進行評估。研究結果表明，與其他兩組試件相比，用沸石固載細菌的混凝土試樣在開裂養護早期裂縫愈合效果顯著;隨著養護齡期的增加，修復速度減緩，但0.1 mm以下的裂縫最終能被完全修復。這主要是由于養護早期，微生物誘導的碳酸鈣沉積在微生物細胞表面和砂漿孔內;養護后期，隨著水化反應的進行水泥基內部環境對細菌孢子的生存造成很大影響。用微生物誘導礦物沉積填充混凝土裂縫既能有效填充修復裂縫，抵御氯化物、二氧化碳等有害物質的滲透，又能降低對混凝土耐久性的不利影響。