微生物礦化作用下的混凝土性能強化研究

孫 彬 陶佳麗

（山西工程技術學院,礦區生態修復與固廢資源化省市共建山西省重點實驗室培育基地,山西 陽泉 045000）

在混凝土的使用過程中,經常會出現裂縫,如果沒有及時修復,會引起腐蝕和其他問題[1-2]。近年來微生物誘導碳酸鈣沉淀 (Microbially induced carbonate precipitation,MICP) 技術逐漸被用于混凝土試件的修復、混凝土性能的強化等方面[3-8]。二十世紀九十年代開始,國內外研究人員對其作用機制進行研究[9-13]。本文利用一株耐堿菌株（蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus）進行微生物水泥試件的制備,同時對微生物水泥進行強度測試和孔隙度測試,進而分析微生物在增強水泥性能和水泥修復方面的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗菌株

液體培養基配方：稱取5g 牛肉膏,10g 胰蛋白胨,5g氯化鈉,溶解于蒸餾水中,定容到1L。滴加NaOH 溶液（1mol/L）調節培養基酸堿度,最終使pH=7.2,高溫滅菌。

本研究選擇蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）進行實驗,其屬于一株耐堿細菌。

將保存的菌株室溫解凍,接種于固體培養基中,30℃培養12h,挑取單個菌落接種到液體培養基中培養,待菌生長到一定量時,用分光光度計檢測菌液在600nm波長下的吸光度,OD600nm=0.8-1.0 時,即可作為種子液用于微生物誘導方解石實驗和混凝土柱子的制備。

1.2 蠟樣芽孢桿菌誘導方解石

配置誘導方解石的培養基：在上述的液體培養基中添加CaCl2,使培養基中Ca2+離子濃度達到0.01mol/L,高壓滅菌,待培養基冷卻后,在培養基中加入Na2CO3和NaHCO3溶液,以上2 種溶液均經過過濾高壓冷卻后使用,最終使誘導培養基中Na2CO3和NaHCO3的濃度均為0.04mol/L。

本研究分為實驗組與對照組,實驗組將1.5mL 菌液接種于150mL 誘導培養基中,對照組將1.5mL 無菌蒸餾水加入到150mL 誘導培養基中,130rpm,37℃培養,每隔48h 取樣進行碳酸酐酶活性檢測。連續培養7 天后,取出培養基底部的沉淀,用無水乙醇洗滌。利用XRD 確定沉淀的晶體類型,利用掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）對沉淀進行微觀形貌和元素分析。

1.3 制備混凝土試件

水泥型號選擇PA32.5；沙子選擇石英砂,用直徑為2mm 的篩子篩過后備用。

將水泥、石英砂與液體組分按8：10：3 的比例混合（表1）,混合的過程中充分攪拌使其成分均勻。根據所用液體成分的不同,將實驗試件分成A、B、C、D 四組。使用內徑50mm,高度100mm 的模具制作混凝土試件,放入溫度為20℃,濕度為95%的恒溫恒濕箱內。分別取養護7 天、21 天、28 天的混凝土試件,對其進行后續測試。

表1 混凝土試件配方

1.4 混凝土試件的抗壓強度與孔隙度測試

在土木和地質工程領域,常用混凝土的強度來評價其質量等級。通過混凝土試件的抗壓強度指標來評價混凝土。制作好的混凝土試件經過剖光打磨,之后測試其無側限單軸抗壓強度。同時,取養護28 天的混凝土試件進行孔隙度測試。

2 實驗結果

2.1 細菌誘導得到方解石

培養7 天之后,對照組培養基呈清澈狀,無沉淀產生；實驗組培養基變渾濁,底部可見沉淀。實驗組沉淀的XRD 結果可知,沉淀為方解石（圖1）。微生物成因的方解石的形貌與菱形方解石晶體明顯不同,呈現啞鈴型,大小在10 μm 左右,晶體表面粗糙,有許多微米級別的顆粒組成（圖2（a））,主要元素包含Ca、O、C 和少量的Na、Mg（圖2（b））。綜上,推斷礦物為方解石。

圖1 蠟樣芽孢桿菌誘導得到的沉淀的XRD 結果

圖2 蠟樣芽孢桿菌誘導得到的方解石形貌（a）及元素組成（b）

2.2 蠟樣芽孢桿菌的方解石形成機制

蠟樣芽孢桿菌在培養2 天、4 天、6 天的時候,碳酸酐酶活性分別是12.45 U/L、9.99 U/L 和9.89 U/L,表明該菌具備碳酸酐酶活性。

大量的研究表明,細菌分泌的碳酸酐酶在誘導碳酸鹽礦物形成的過程中發揮著不可或缺的作用[15-16],為碳酸鈣等礦物的形成創造有利的環境。碳酸酐酶可以促進二氧化碳的水合作用,生成碳酸氫根與碳酸根（反應式（1）、（2））,其催化速率可以達到106/s。

碳酸氫根與碳酸根含量的升高加速了碳酸鈣的沉淀（反應式（3））。

通過上述過程,細菌可以通過分泌的碳酸酐酶為碳酸鈣的沉淀提供一個超飽和的環境。同時,細菌及其胞外聚合物表面的負電荷可以吸附鈣離子,形成超飽和的微環境,從而促進碳酸鈣的沉淀,因此,本研究認為細菌及其胞外聚合物在這一過程中起到成核位點的作用。

2.3 微生物混凝土強度測試

在對混凝土試件進行抗壓測試后,發現試件出現破裂面,破裂面多貫穿試件的頂底面。混凝土試樣的無側限抗壓強度測試結果如圖3 所示,恒溫恒濕箱內放置7天的混凝土柱子,A 組樣本的峰值強度最低（18.30MPa）,而B 組樣本的峰值強度為20.59MPa,C 組樣本的峰值強度為25.16MP,D 組樣本的峰值強度為31.90MPa,整體呈現增高趨勢。在恒溫恒濕箱內放置21、28 天的混凝土柱子呈現同樣的變化趨勢。值得注意的是,隨著天數的增加,各組混凝土柱子的抵抗壓力破壞強度的能力不斷增強,結果表明混凝土樣品的強度與養護時間呈正相關。

圖3 混凝土樣品的抗壓強度實驗結果

養護時間相同的情況下,液體成分為培養基時（B組）,混凝土的強度高于液體為蒸餾水的混凝土（A 組）,推測是培養基中有機官能團與混凝土顆粒表面之間存在吸附作用。液體為接種細菌的培養基的（C 組）,混凝土的強度再次增強,推測是細菌及胞外聚合物可以對混凝土的內部結構產生影響。接種細菌且添加CaCl2的培養基的混凝土（D 組）,混凝土強度達到最高值,研究推斷培養基中的Ca2+可以與CO32-、HCO3-結合,生成CaCO3沉淀（反應式3）。碳酸鈣作為膠結物,將混凝土中的砂、石灰粘結在一起,提高了混凝土樣品的強度。

2.4 混凝土孔隙率

混凝土試件孔隙度測試結果如圖4。A 組混凝土試件的孔隙度達到16.42 %；B 組、C 組、D 組混凝土試件的孔隙度分別為13.00 %、10.20 %、9.40 %,孔隙度數值依次降低,這表明混凝土試件的孔隙減少,因此,混凝土的密度增大,強度增大,性能得到強化。

圖4 混凝土試件孔隙度實驗結果

3 結論

蠟樣芽孢桿菌分泌的碳酸酐酶催化了二氧化碳的水合作用,為方解石提供超飽和的微環境。碳酸鈣沉淀在混凝土的孔隙中起到膠結物的作用,增加顆粒之間的粘聚力,從而提高強度；同時,碳酸鈣占據了原有的部分孔隙,從而降低了混凝土樣品的孔隙度。微生物誘導方解石為混凝土的性能強化、裂隙修復提供了一種可行的方法。