微生物修復水工混凝土力學性能與微觀機理研究

婁 巖，馮 濤，胡艷芳

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

0 引 言

水利工程運行過程中，水工混凝土在復雜環境影響下極易出現裂縫，若不及時修復，將會引起內部鋼筋與混凝土性能的加速劣化，嚴重威脅樞紐的運行安全與長期穩定[1-3]。工程實踐中，出現過大壩因壩體溫度或收縮裂縫引起失事的案例[4]。因此，采取有效措施修復水工混凝土裂縫，對水利工程的長期穩定性與安全性具有重要意義。

傳統的混凝土裂縫修復方法包括灌漿、嵌縫、封堵等，廣泛應用于水工混凝土裂縫修復中[5]，但這些傳統修復方法存在不足。傳統方法常采用有機化學材料，一方面部分有機材料具有一定的毒性，對環境和人體產生不利影響；另一方面有機材料與混凝土材料的膨脹性存在一定差異，導致二者相容性較差[6-7]。因此，研究人員開始致力于研究環境友好、成本低廉且能有效修復水工土裂縫的新材料。

微生物成礦學方面的研究表明，一些微生物在特定條件下可通過新陳代謝析出礦物結晶，如碳酸鹽等[8]。由此研究提出了MICP技術，利用微生物的新陳代謝誘導環境中的鈣離子沉積生成具有膠凝性質的碳酸鈣，這一技術具有相容性與耐久性良好、無毒無害、環境友好、操作簡便、成本低廉等優點[9]，為修復水工混凝土裂縫提供了新思路。自Adolphe[10]首次提出將MICP技術應用于建筑材料保護領域以來，學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，結果顯示試件的壓強度與剛度均有所增強。王瑞興等[12]的研究表明，微生物砂漿能有效恢復裂縫混凝土的強度，灌漿后試件抗壓強度增強1.7倍，恢復到初始強度的82%。

現有MICP技術研究中，大都是基于普通混凝土開展，針對微生物修復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技術在水工混凝土中的應用效果。因此，本次研究在水工混凝土裂縫試件上運用MICP技術，通過抗折強度測試，描述裂縫試件的粘結效果，觀察分析膠凝礦物的微觀形貌與粘接機理，為MICP技術應用于水工混凝土裂縫修補提供參考。

1 試驗方案設計

1.1 試驗材料

本次試驗選用的微生物為科氏芽孢桿菌，屬于化能異養菌，具有好氧嗜堿特點，能適應高堿環境；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，砂為細度模數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 試驗方案

從現有研究可以看出，微生物可以有效提高裂縫混凝土的力學性能[13]。為進一步探索微生物在修復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，將裂縫試件粘結后，測試修復后樣品的抗折強度，并進一步通過SEM電鏡觀察膠凝礦物的微觀形貌。

1.3 試驗步驟

1)制備試件。試件制備上借鑒了王曉梅[14]在混凝土裂縫修復方面的研究，首先根據前述水工混凝土配合比制備Φ10cm×H3cm的水泥砂漿圓餅試件，接著在養護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，水中養護180d后開展試驗，共制備3個裂縫試件。

2)制備菌泥。將科氏芽孢桿菌接種至無菌液體培養基，于恒溫搖床內培養48h后，制備成濃度3.6×109cells/ml的菌液，使用臺式離心機離心萃取出菌泥備用。

3)配制營養鹽。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，最后將營養鹽通過花管進入凹槽后滲入裂縫，持續2d后取出試件進入下一步試驗。

5)抗折強度試驗。通過多功能加載機測試計算粘接試件裂縫的抗折強度。

6)SEM電鏡掃描試驗。利用SEM電鏡觀察膠凝礦物的微觀形貌，進一步從微觀角度分析微生物修復水工混凝土裂縫的機理。

2 試驗成果分析

2.1 微生物修復裂縫試件的抗折強度

在微生物修復試件裂縫期間，可以觀察到裂縫的周邊產生了大量白色晶體，且伴隨著濃重的氨氣味，修復2d后，斷裂試件粘結到一起?？拐蹚姸仍囼灣晒妶D1?？梢钥吹?，3個試件的粘接裂縫抗折強度分別為159.4、188.7、197.2kPa，說明裂縫已成功粘接且具有一定強度，但抗折強度的離散性較大，最大抗折強度與最小抗折強度之間相差20%以上。分析原因認為，試驗過程中存在一些難以穩定控制因素，如拼合裂縫的寬度、涂抹菌泥體積、粘接面面積等。試驗中，測試了3個試件底部的表觀裂縫寬度，分別為0.2、0.4、0.3mm，最大縫寬差異達到100%；涂抹菌泥過程中也會有涂抹不均勻、菌液被擠出的現象。為模擬真實裂縫面凹凸不平的特點，實驗中采用壓折形成裂縫方式，但同時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，觀測點位置示意圖見圖2，SEM電鏡照片見圖3?？梢钥闯觯z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，還有部分表現為球狀、萵苣狀形貌。3個觀測點的碳酸鈣晶型構成差異明顯：點1處含量較多的是針簇狀的碳酸鈣結晶，以及少部分的球狀、萵苣狀碳酸鈣；點2處的針簇狀結晶的數量顯著減少，六面體結晶與球狀碳酸鈣增多；點3處只能觀察到少量針簇狀結晶，碳酸鈣大都以六面體方解石、球狀、萵苣狀的形式呈現，同時還可以觀察到部分底物。分析原因認為，微生物的生長受到環境因素的影響，靠近凹槽點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，產生的碳酸鈣較多；由上到下環境條件越來越苛刻，氧氣、鈣源含量遞減，微生物生長受限，產生的碳酸鈣也就越少，到點3處出現底物未充分被碳酸鈣覆蓋的現象；生成碳酸鈣的晶型也受到環境因素的影響，具體原理還有待進一步開展研究。

圖2 觀測點位置示意圖

圖3 膠凝礦物微觀形貌

2.3 裂縫粘接機理分析

從現有研究來看，MICP技術修補混凝土裂縫的原理為，微生物在砂?！敖佑|點”處生成碳酸鈣結晶，進而增強裂縫混凝土的強度[15]。據此推測本次研究中裂縫試件的粘結模型如下：裂縫試樣斷裂面拼合后見圖4，斷裂面之間至少存在一個接觸點，接觸點上側類似為V形槽；涂抹菌泥后，菌泥在重力作用下向下流動，接觸點以上菌泥殘留較多，接觸點以下的菌泥殘留較少；加入營養鹽后，微生物通過新陳代謝生成碳酸鈣，將裂縫粘接到一起，接觸點上側由于菌泥、營養鹽等較為充裕，產生的碳酸鈣較多；接觸點下側則相反，產生的碳酸鈣較少。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，分析認為分界線即為前述的“接觸點”。

3 結 論

本次研究制備了水工混凝土裂縫試件，并利用MICP技術對其進行粘接，通過抗折強度測試描述裂縫試件的粘結效果，觀察分析膠凝礦物的微觀形貌與粘接機理。結論如下：

圖4 粘接模型示意圖

1)MICP技術能成功粘接水工混凝土裂縫試件，粘接裂縫抗折強度在150～200kPa之間，強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定控制。

2)MICP技術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)裂縫接觸點通過影響微生物的環境因素，進而影響微生物合成碳酸鈣的數量和晶型。

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，有待進一步開展研究。