芽孢桿菌修復劑修復再生混凝土裂縫試驗研究*

張為民，劉 超，，權宗剛，浮廣明，朱 超，劉化威

(1. 西安建筑科技大學 理學院, 西安 710055； 2. 西安墻體材料研究設計院有限公司, 西安 710061；3. 西安建筑科技大學 土木工程學院, 西安 710055)

0 引 言

伴隨著世界經濟的快速發展，全球范圍內近十年的大數據統計都指明：基礎設施和居民住房的興建會產生大量的建筑垃圾，并且伴隨著拆建廢物隨意處置、非法傾倒以及缺乏具體規范控制的情況會導致掩埋堆填場地不足和環境進一步的惡化[1]，再生混凝土是取再生骨料部分或全部取代天然骨料制備而成的混凝土[2]，其具有消耗建筑垃圾、實現建筑垃圾資源轉化及減少天然石料資源消耗的優勢，同時兼備接近于天然骨料混凝土的性能[3]。Gholamreza F.等人[4]的實驗表明不同齡期再生骨料混凝土的徐變收縮受混合配比法影響十分明顯。這種現象主要是由于再生骨料附著砂漿的性質所引起的。Fonseca N.等人[5]也進行了相關實驗，將抗壓強度、劈裂拉伸強度、彈性模量及耐磨性作為因素點。由此發現：在機械性能方面，再生混凝土受固化條件的影響與天然混凝土相同。但是，隨著再生骨料取代率的上升，彈性模量和劈裂拉伸強度都有損失。外環境下的更高取代率的再生混凝土較于天然混凝土更容易受到影響。

裂縫是混凝土結構破壞的主要因素之一，內部鋼筋受侵蝕影響導致結構失效問題日益突出。然而，國內外關于混凝土的開裂研究主要在減少前期開裂下進行，其開裂后或修復開裂的性能研究較少。Maria A.等人用聚酯(甲基丙烯酸甲酯)制成的聚合物圓柱形膠囊，用于在自愈合中攜帶愈合劑，通過裂縫展開引起的膠囊破裂進而對相關混凝土結構進行修復[6]。Mohamed A.等人[7]將膨脹珍珠巖用于固定芽孢桿菌孢子的載體組件。實驗結果表明：自我修復不僅僅是具有足夠的愈合化合物的要求，而且還需要適宜的載體環境。因而混凝土開裂后激發有效修復實現彌合裂縫的結構能夠實現但存在相關難點。

目前，國內外對于再生混凝土結構開裂下及開裂修復后性能的研究尚處于起步階段，缺乏必要的評價方法，因而在很大程度上限制了該類自修復結構的進一步推廣應用。為此，本文作者以課題組前期進行的芽孢桿菌濃度、再生粗骨料取代率為主要變化參數完成的24 根自修復再生混凝土短柱的開裂后修復性能試驗為基礎[8-12]，進一步深入對比分析芽孢桿菌對再生混凝土短柱在開裂后修復性能激發規律，以期為再生混凝土結構裂縫耐久性的進一步深入研究和工程應用提供參考和依據。

1 試 驗

1.1 實驗材料

再生混凝土是由PC32.5R水泥、自來水、天然砂、天然骨料及再生粗骨料混合攪拌而成。再生粗骨料是來自陜西西安某環保科技公司的建筑垃圾資源化生產線，經破碎機破碎，經篩分、清洗，干燥后取得粒徑為5～15 mm，且連續級配。芽孢桿菌選取來自陜西省微生物研究所的巴氏嗜堿芽孢桿菌，經培養、增殖、混合后成為芽孢桿菌混合液。再生骨料與芽孢桿菌液于負壓真空泵中負壓吸附30 min后放置恒溫烘箱40 ℃烘干24 h。混凝土按C30配制，試樣尺寸采用160 mm×40 mm×40 mm。再生混凝土配合比設計是以取代率為基準，再生骨料作為修復裂縫的載體存在且不同取代率時僅改變再生粗骨料與天然骨料的比例，骨料總質量保持不變。混凝土試樣配合比設計詳見于表1。

1.2 試件設計與制作

以芽孢桿菌濃度和再生粗骨料取代率為變化參數，共設計并制作了24個具有芽孢桿菌修復能力的再生混凝土短柱試件和6個普通再生混凝土對照試件。試件的取代率考慮10%，30%，50%及100%4種，芽孢桿菌的濃度考慮15%，30%，45% 3種情況。試件中選用普通砂細度模數為2.6，其堆積密度為1 300～1 600 kg/m3；試件設計水灰比為0.48，經手工攪拌制備且在試件成型后靜置24 h脫模后大于90%RH條件下養護一周后預置裂縫。

1.3 附著裝置

采用負壓真空泵及壓力容器(圖1) 對再生粗骨料進行負壓芽孢桿菌吸附， 其恒定壓力達到0.6 MPa負壓真空浸漬。載體在壓力容器內真空將芽孢桿菌吸附進入孔隙，關閉進氣閥并啟動負壓泵抽取空氣。當壓力達到設定壓力后，恒壓30 min。然后關閉電源，打開進氣閥，載體于無菌恒溫烘干箱40 ℃烘干24 h后冷卻至常溫。

表1 試樣配合比

注：每組共6個試件，除RC0組外，其余組試樣摻加載體附著芽孢桿菌濃度分別為15%(2個)，30%(2個)及45%(2個)。

圖1 載體吸附裝置Fig 1 Carrier adsorption device

1.4 加載及裂縫預置方式

試件經制備自然灑水養護至7天后，采用電液伺服壓力機對其進行3點加載，加載裝置如圖2所示。為獲取試樣跨中區破壞的延展裂縫，采用位移控制加載進度，速度為0.05 mm/min。當裂縫出現首條延展寬度為0.2 mm時，停止加載。

2 實驗結果及其分析

2.1 試件表觀變化

再生混凝土試件在開裂后的芽孢桿菌修復作用下發生了一系列的表觀變化。隨著時間的整張，有芽孢桿菌的試件出現的愈合現象基本相似，主要體現在: 當裂縫產生初期時，混凝土裂縫處外觀無變化，與普通混凝土狀態基本相同;當裂縫產生3 d后，RC30、RC50及RC100表面發生了輕微的修復現象，裂縫處顏色逐漸變白; 當裂縫產生7 d時，RC50表面修復程度較大，部分區域產物呈彌合裂縫狀態。再生混凝土試件經修復作用至彌合裂縫后，裂縫處整體性保持完好，未出現裸露裂口和孔洞等現象。試件在經歷修復作用后的表觀形態如圖3所示。

圖2 加載裝置Fig 2 Loading device

2.2 試件加載現象

制備后再生混凝土試件的加載破壞形態與普通混凝土試件的相似，主要出現了試樣跨中受拉區的開裂現象。(1)在加載過程中，隨著荷載的增加，混凝土受拉區表面裂縫出現，裂縫沿著試樣向上延展，延展裂縫內采用150倍裂縫觀測儀觀察可見再生骨料，裂縫與試件軸線呈約±15°角。試件再生骨料取代率越高，其承受的開裂最大荷載越小，受拉區開裂出現的時間越早。(2)試樣開裂后，裂縫呈現延展現象，延展的位置各有不同。隨著試件再生骨料取代率的升高，其延展裂縫出現與軸線偏離現象越高。當取代率為100%時，試件的開裂裂縫形態與裂縫內側再生骨料形狀吻合，為沿著再生骨料舊砂漿界面延展。

圖3 修復后裂縫表面狀態Fig 3 Surface state of crack after repair

2.3 裂縫修復現象

采用面積修復率來反映開裂后試件芽孢桿菌修復的程度，其表達式為:

Wr=l0·Wt/l0·W0

(1)

式中:Wr為面積修復率，%;l0為開裂后試件的裂縫長度，mm;Wt為開裂后裂縫的修復寬度，mm,W0為開裂后裂縫的初始寬度，mm。

為更深入對比分析試樣裂縫的修復率受芽孢桿菌濃度和再生骨料取代率的影響程度，對這兩類因素試件，分別取同一芽孢桿菌濃度下不同取代率的所有試件修復率的平均值及不同芽孢桿菌濃度各組同取代率試件修復速率經對比圖4發現如下結果：在修復時間增長是有載體都顯現出較對照組更明顯的快速修復現象；而芽孢桿菌濃度在30%使各組試件有著最好的修復裂縫的峰值，45%芽孢桿菌濃度由于15%芽孢桿菌濃度修復總量，30%芽孢桿菌濃度修復總量約為45%芽孢桿菌濃度的147.4%和15%芽孢桿菌濃度的417.6%，這表明較低或過高的芽孢桿菌濃度對裂縫的修復會起到削弱的作用；伴隨著再生骨料載體取代率的提高，RC100試樣有著最快的芽孢桿菌修復現象并且沿修復時間的增長呈現明顯的加速，RC10試樣直到裂縫開裂后第6天出現修復現象且修復總量較少，這表明再生骨料取代率的增加能明顯提升裂縫處的修補效率。此外，過高的取代率也會造成裂縫出現的幾率增加。

圖4 不同芽孢桿菌濃度試樣裂縫修復寬度Fig 4 Crack repair width of samples under different bacterial concentrations

同理，對于芽孢桿菌濃度和載體取代率兩個因素，分別取同一芽孢桿菌濃度下不同取代率的所有試件裂縫修復率的平均值，并以取代率r=0%對照試件為基準進行分析。隨著取代率的提高試件的修復性能基本呈線性增長，且增幅不大; 當取代率為50%時，裂縫的修復率明顯增大，而試件取代率為100%時，芽孢桿菌濃度為45%的修復率略有下降。相比同等取代率的試件，過高的芽孢桿菌濃度會降低裂縫處的修復效果。

3 開裂修復對比分析

實際上在耐久性方面，再生骨料也表現出與天然骨料不同且復雜的性能形式。許多學者研究表明在混凝土中使用再生粗骨料會使混凝土耐久性變差。在高取代率混凝土中加入粉煤灰會使試件干燥收縮率減少，并削弱混凝土的徐變。但是，混凝土對氯離子的滲透抵抗力也會下降，并且隨取代率的增加，碳化深度相應增加。特別是大毛細管直徑越大、空隙率越高的再生骨料，加入這類再生骨料的試件耐久性降低越明顯。并且得出了高孔隙率是導致再生混凝土耐久性變差的原因。對于相同的水灰比，添加20%再生粗骨料的試件密度值比對照組試件密度值低約5%。再生骨料固有孔隙率越高，試件耐久性受其影響而更差。再生混凝土抗碳化和氯化物滲透性均隨著再生骨料取代率的增加而降低。再生混凝土的干燥收縮率隨著再生骨料取代率和水灰比的增加而增加。并且隨著齡期的服役時間增長，高取代率再生混凝土的碳化深度增加在不改性再生骨料本身的前提下，再生混凝土耐久性性能的提升都伴隨著其他一項或多項性能的損失。因而開裂修復是否有效提升耐久度是有效解決這一問題的關鍵。

3.1 表觀修復

以再生骨料為載體的芽孢桿菌修復效果產生外部修復的原因，經過分析是由于再生骨料在拌和水泥基料形成構件的過程中，附著砂漿空隙中存在的空氣與添加的水、巴氏芽孢桿菌已經開始進行鈣礦化反應，在試件內部開始CaCO3的生成；在養護完成并壓制裂縫時，外部空氣及水分的進入使外緣向內部開始鈣礦化作用，大大減少了CaCO3晶體生成至彌合裂縫的速度。沒有芽孢桿菌的試件中水化作用不夠充分并在裂縫開裂后進一步與空氣中水分接觸得以持續水化，這導致裂縫產生時，沒有芽孢桿菌的試樣也出現了極少量的裂縫縮小的現象，見于圖5；同時，取代率相對小的試樣其載體分布較均勻的密度分布使CaCO3的生成形態呈現平鋪式的層式堆疊，其裂縫面的愈合效率大大降低，產生修復最大裂縫寬度小于高取代率再生骨料載體試樣。裂縫觀測儀下觀察可以發現：高取代率再生骨料載體形成的CaCO3呈現不規則堆疊狀晶體塊，這種點式聚集速度以及晶體粒徑均大于平鋪層式堆疊，這對裂縫產生后響應修復速率起到很好的推動作用。

圖5 再生骨料載體對裂縫修復作用Fig 5 Effect of recycled aggregate carrier on crack repair

3.2 內部修復

隨著自我愈合的時間延長，有載體的試樣裂縫長度變小。當修復時間達到28天，RC100的橫面裂縫完全修復。通過SEM電鏡觀察，混凝土裂縫橫面修復后縱向斷面會繼續緩慢修復，并隨時間的延長，修復速率逐漸降低直至停止。在橫面方向生成的碳酸鈣最初聚集于各個點，而后不同修復點逐漸連接，最終整個裂縫橫面被完全填滿。這個流程整個裂縫完全填滿后，巴氏芽孢桿菌鈣礦化并未結束。隨著碳酸鈣的密度增加，裂縫的表面及裂縫的外緣被碳酸鈣覆蓋。縱向斷面生成的碳酸鈣在再生骨料周圍形成小型的不規則晶體團；如圖6所示，斷面深處局部生成的碳酸鈣晶體與水化產物粘結在一起呈現較均勻分布；在靠近裂縫外緣處，碳酸鈣晶體多呈現梯狀堆疊狀態，且晶體粒徑普遍大于遠離裂縫外緣處，同時在裂縫部分區域可見修復生成的CaCO3與針狀的水化產物交織在一起。

3.3 抗離子侵蝕

設置圖7中裝置對試樣進行濃度為3.5%的氯化鈉溶液循環侵蝕進行觀察，裂縫已完全修復試樣修復區域僅有少量氯化鈉沉積，而未完全修復試樣裂縫周圍有較多氯化鈉沉積，這種現象是由于修復產物不溶水的特性較好的阻隔水分及氯鹽在裂縫處的流入。通過對不同組試樣氯離子侵蝕試驗經電鏡掃描后如圖8所示，結果發現裂縫內未完全修復再生骨料載體修復產物有著明顯的氯鹽侵蝕痕跡，說明其生成CaCO3有效的抵抗了有害離子對內部孔隙的侵蝕，阻止了離子向結構內部的進一步侵蝕。

圖6 電鏡觀察下的修復物質Fig 6 Repair material under SEM

圖7 離子單向裂縫侵蝕裝置Fig 7 Ion unidirectional crack erosion device

圖8 裂縫內離子侵蝕Fig 8 Ion erosion in cracks

4 結 論

(1)再生骨料附著砂漿多孔疏松的性質有利于巴氏芽孢桿菌的附著。相較于普通試件裂縫，以再生骨料為載體的試件表現出修復速度快、鈣礦化產物量高、碳酸鈣晶體粒徑大且結構緊密等優點。這是由于再生骨料使菌密度大大提高的同時，附著砂漿內的空氣和水能夠在裂縫產生第一時間就進行礦化反應；而普通混凝土試件內僅靠進一步水化作用實現裂縫極小的修復過程，導致修復速度及修復效果不佳。

(2)兩組試件通過芽孢桿菌濃度和再生骨料取代率兩個因素影響混凝土的修復效果，修復效果會隨取代率的提高不斷的提升，但芽孢桿菌濃度在30%使修復效果最好；過高的芽孢桿菌濃度會抑制芽孢桿菌增值和鈣礦化產生修復物質的進程中，由于再生骨料附著砂漿與水泥砂漿粘結性相對較差，但使較多聚集的芽孢桿菌處于裂縫處進行修復工作，這導致高取代率的試樣更易開裂同時修復效果也更為明顯。

(3)再生骨料作為修復載體在混凝土中有著較好的應用潛力。可以推斷，利用再生骨料作為修復載體可行因素是由于其附著砂漿的多孔性和弱堿性。只要再生骨料有著適當的粒徑尺寸和孔隙率，就可以提高混凝土裂縫修復性能。最近研究中，使用再生骨料作為芽孢桿菌載體顯示出的潛在跡象，考慮到有限的信息，這值得進一步深入研究。另一方面，由于再生骨料界面過渡區的復雜性，使用它作為修復載體替代品應限于低置換水平。從而在自修復混凝土對環境起到有益作用的同時，給與其修復后強度和耐久性性能提升方面更多的關注。