細菌水泥混凝土路面修補材料性能實驗研究

(岳陽市公路橋梁基建總公司, 湖南 岳陽 414000)

細菌水泥混凝土路面修補材料性能實驗研究

黃建勝

(岳陽市公路橋梁基建總公司, 湖南 岳陽 414000)

優(yōu)選了一種芽孢桿菌，將適量濃度的該細菌與其他改性材料摻入到水泥基材料中制備出一種早強高強水泥混凝土路面修補材料。首先，通過力學強度測試，試驗結果表明：在控制水灰比一定的條件下，濃度為2.5 cfu/mL的加菌水泥砂漿試件力學性能最佳；其次，通過掃描電子顯微鏡SEM，發(fā)現芽孢桿菌的摻入對鈣礬石等水化產物的形成具有促進作用；再次，試驗證明了芽孢桿菌的摻入能在不影響施工和易性的前提下能大幅提高水泥砂漿的粘結強度和水泥混凝土的早期抗折強度和抗壓強度。特別地，在9 h時的強度可達到設計配合比的80%以上，非常適用于水泥混凝土道路常見病害的快速修補。最后，設置了模擬干燥開裂試驗，結果表明細菌混凝土抗裂性能良好。

水泥混凝土路面; 細菌; 修補劑; 水化反應; 力學強度

0 前言

過去的二十幾年是我國公路建設的蓬勃發(fā)展期，時至今日，貫穿全國的高速公路網已經基本建成，公路總里程突破450萬km。其中，高速公路總里程將近11萬km，基本上覆蓋了我國26個省、市的90%以上中、小型城市。算上二級公路在內的高等級公路里程突破65萬km，鄉(xiāng)村公路總里程接近400萬km[1]。水泥混凝土路面作為最主要的公路路面鋪裝形式之一，更具使用性能好，造價成本低等技術特點，備受公路建設部門的青睞。有報道稱早在2011年，我國水泥混凝土路面總里程數已接近138萬km，約占公路總里程的1/5之多，里程數名列世界第一。然而，水泥混凝土作為一種親水性的剛性材料，在復雜多變的自然荷載環(huán)境下容易導致路面發(fā)生裂縫、坑槽、沉陷、碎裂等病害，水泥混凝土路面快速修補材料也因此應運而生。

針對水泥混凝土路面常用的修補方法[2]一般可歸結為兩類，其一是采用有機類修補材料[3-9]，具有代表性的如用來加鋪薄層罩面的瀝青質材料和封閉裂縫用的有機高聚物等。有機材料修補法雖然具有使用便捷， 但在實際應用過程中存在著較多的技術問題， 如需要加熱的儀器與設備、與原路面黏結性較差、新舊材料剛度不一導致荷載傳遞不均、易老化、易出現反射裂縫、表面使用功能低、新舊材料存在色差等。另一種傳統修補方法[10-14]是采用高于或者與舊路中水泥混凝土強度相當的水泥混凝土來對破壞的結構或部位進行針對性的修補。該方法雖然改善了不同材質帶來的受力與導熱均一性問題，但卻存在著養(yǎng)護時間長、材料收縮大，與原路面粘結力不足以及界面過于薄弱等問題。因此，一種優(yōu)質的水泥混凝土道路用修補材料的研發(fā)，正為公路管理部門所期待，從事相關方面的試驗研究具有良好的科研價值和現實意義。

本研究打破傳統的修補技術方法，通過利用篩選得到的芽孢桿菌制備出一種新型水泥混凝土修補材料，該材料具有凝結速度快、早期強度高、性能穩(wěn)定、施工便捷等技術特點，適用于水泥混凝土常見病害的修復和預防等。

1 材料與組成

1.1 水泥

水泥為湖南平塘公司生產的P.O 52.5和42.5號水泥，其相關性能指標參考表1。

表1 水泥基本性能參數水泥品種凝結時間/min抗折強度/MPa抗壓強度/MPa初凝終凝3d7d28d3d7d28dPO4251572164．45．86．6224249PO5251651955．46．88．929．541．361．9

1.2 骨料

細骨料為中砂，細度模數 2.7，見表2；粗骨料為連續(xù)級配 5～20 mm 的卵石。

表2 砂的技術指標含泥量/%泥塊含量/%細度模數10527

1.3 菌種

轉基因芽孢桿菌(Transgenic Bacillus)，由普通芽孢細菌轉基因得到，該菌種對人畜無毒無害，能在堿性的水泥混凝土環(huán)境下生長，脫離堿性環(huán)境便停止繁殖，不污染環(huán)境。

1.4 培養(yǎng)基

有蔗糖、玉米粉、酵母提取物，蒸餾水等。

2 細菌濃度的優(yōu)選與砂漿粘結性能測定

2.1 細菌濃度的優(yōu)選

采用P.O 52.5號的水泥，參考《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》[15]，水泥用量C∶標準砂S∶水H為1∶3∶0.5，水泥取450 g，將培養(yǎng)的細菌摻入水泥，得到細菌修補砂漿，其實驗配比及流動度參數如表3所示，需要注意的是為了體現對比效果，需在空白對照組中加入等量同濃度的培養(yǎng)基溶液。

表3 砂漿流動度檢測結果編號C∶S∶H濃度/(cfu·mL-1)流動度/mmBLANK1∶3∶050170TB-11∶3∶0515168TB-21∶3∶052166TB-31∶3∶0525169TB-41∶3∶053169

參考相關試驗規(guī)范，制備上述BLANK組和TB組的4個試件，并在規(guī)定的條件下進行養(yǎng)護至28 d，分別測試各組試件6 h、9 h、1 d和28 d抗折與抗壓強度，記錄、對比，繪圖分析見圖1所示。

圖1 砂漿的抗折強度和抗壓強度的發(fā)展規(guī)律

從圖1中可以看出: 抗折強度和抗壓強度增加趨勢大體相同，早期0～24 h過程中，復合改性砂漿試件力學強度增長較快。同時可以看出，在養(yǎng)護1 h時，TB — 1到TB — 4中的4個試驗組的抗折強度均明顯高于BLANK組；到1 d后，試驗組中抗折強度最高的TB — 3達到7.5 MPa，而BLANK組的僅為其大小的54.7%。分析其原因可能是，帶負電的微生物細胞表面從外部環(huán)境中吸引像 Ca2+這樣的陽離子，使其細胞表面不斷聚集，進而加快了水化速率，促進了鈣礬石的形成。24 h以后到28 d，曲線較為平順，抗折強度增長緩慢，各試驗組的抗壓強度值均在1.32倍以上。

綜合考慮圖1中所示的抗折抗壓力學性能以及上述表1和表3中凝結時間以及流動度等施工性能參數，優(yōu)選濃度為2.5 cfu/mL的TB — 3為備用修補劑。

2.2 掃描電子顯微鏡分析(SEM)

為探明TB-3修補材料給水泥水化反應帶來的影響，制備了TB — 3水泥試塊，養(yǎng)護至某一齡期后放置于掃描電子顯微鏡下放大10000倍觀測其結構形態(tài)。

對比圖2和圖3: 不難看出TB — 3組水泥漿體在6 h時存在大量的針柱狀的水化產物鈣礬石和C-S-H 凝膠聚集在結構表面。分析其原因可以從以下幾個方面來考慮：其一，TB — 3中芽孢桿菌可能分泌某種膠凝特性成分(如活性酶)，在水化反應的早期生成了AFt、AFm 和水化鋁酸三鈣等能提高水泥早期強度的水化產物；其次，TB — 3中Ca2+在細胞周邊聚集加速催化了水泥的水化反應，鈣礬石的數量隨之增加；再次，TB-3中的細菌或者分泌物對水化反應具有晶核作用(又可稱為“晶核效應”)，使得C3S 的水化速率明顯加快。

a)為6 h時的掃描電鏡譜圖 b)為28 d時的掃描電鏡譜圖

a)為6 h時的掃描電鏡譜圖 b )為28 d時的掃描電鏡譜圖

2.3 粘結強度測定

修補材料的粘結強度是水泥混凝土道路修補過程中必須考慮的關鍵因素，優(yōu)良的粘結強度直接關系著修補質量和壽命。為客觀反映粘結強度這一性能，研究采用在提前對半切割好的小梁試件破壞斷面潤濕后粘結上需要測定的新材料(如圖4左側為水泥混凝土試塊，右側待測的材料)，實驗室養(yǎng)護9 h，1 d、28 d后，測試其抗折強度，加載模型如圖5所示。

圖4 用于測定粘附力的試件(單位: mm)

圖5 抗折強度測定原理示意(單位: mm)

實驗結果記錄，見表4。

表4 不同時期抗折強度值MPa組別抗折強度9h1d28dBLANK020712TB-3072956

由表4中可知: TB — 3水泥砂漿在9 h，1 d以及28 d抗折強度對比與其結構自身的抗折強度值(5、6.9及12 MPa)均具有大幅度的降低，但與BLANK組(即普通水泥砂漿)相比，其值遠大于對應齡期的BLANK組抗折強度值。這就表明TB — 3水泥砂漿的粘結力優(yōu)于普通水泥砂漿。其原因可以從以下幾個方面進行分析：其一，芽孢桿菌在水泥基材料里面分泌了大量的碳酸鈣結晶，提高了試件的強度和硬度；其二，部分細菌轉化為絲狀細胞從而充當強化纖維的作用，改善了試件的抗折強度；其三，細菌繁殖過程中分泌的蛋白酶或礦物具有充當膠水和黏合劑的作用。

3 TB-3混凝土性能研究

3.1 施工和易性

采用P.O 42.5號水泥，參考公路水泥混凝土路面設計規(guī)范配制C30復合改性修補混凝土，其配合比見表5。

表5 配合比參數組別配合比水泥砂石水修補劑砂率水膠比BLANK119533042/037042TB-311953304201037042

根據表5中的配合比，在標準環(huán)境下拌制得到TB — 3混凝土，試驗測得其和易性能指標記錄見表6 。

表6 施工相關性能指標組別坍落度/mm容重/(kg·m-3)凝結時間/min初凝終凝BLANK102355119127TB-325240097126

參考公路水泥混凝土施工技術規(guī)范[16]，結合表6內容可知，TB-3混凝土凝結時間大于60 min，坍落度在小于30 mm，滿足施工要求。

3.2 力學性能

材料的物理力學性能的大小直接關系著其使用性能的好壞，又因水泥混凝土作為一種硬脆性的剛性材料，其力學性能的不足將直接導致道路路面結構的破壞，影響公路的使用性能甚至釀成交通事故。因此，本研究設計試驗，對比分析了TB — 3組和BLANK組的抗折強度和抗壓強度大小，實驗結果見圖6。TB — 3混凝土壓折比發(fā)展規(guī)律見圖7。

圖6 TB-3混凝土抗折強度和抗壓強度的發(fā)展規(guī)律

圖7 TB-3混凝土壓折比發(fā)展規(guī)律

由圖6b中可以看出: 使摻入了TB — 3配制的混凝土在 9 h即可達到設計配合比混凝土抗壓強度的 82.3%，這一強度已達到道路開放交通的需要。同時，從圖7中可以看出，TB — 3混凝土的壓折比小于BLANK組，而壓折比的下降表明了TB — 3材料對于抗折強度的貢獻遠高于對抗壓強度的貢獻，這也提高了TB — 3修補材料在道路修補工程中的適用性。

3.3 TB-3混凝土的抗裂性能

水泥混凝土裂縫是工程實際中普遍存在的一個問題，也是工程建設人員最為頭疼的常見問題。對于早強、快硬性的水泥混凝土，其所面臨的裂縫情況更為惡劣。另一方面，水泥屬于親水性材料，水泥混凝土路面裂開的縫隙中的液態(tài)水在動水壓力的反復作用下，會導致路面板產生一些病害，如唧泥、錯臺、沉陷以及碎裂等。鑒于此，課題組采用了1000 mm×100 mm的平板開裂試模并插入大號螺紋鋼，進行了TB — 3混凝土開裂模擬試驗。實驗見圖8。

圖8 TB-3組復合改性修補混凝土整體圖

試驗采用凌云牌800 W插電取暖器對試模中混凝土不間斷進行擺頭均勻烘烤，以促進TB — 3復合改性修補混凝土水分的蒸發(fā)，模擬一個干燥環(huán)境。通過實驗觀察，如圖9所示TB — 3試件表觀質量完好，未出現明顯裂縫。

圖9 混凝土螺紋鋼附近裂縫觀測圖

4 結論

1) 通過大量的試驗，根據抗折抗壓力學性能以及凝結時間與流動度等施工性能參數，優(yōu)選出濃度為2.5 cfu/mL的芽孢桿菌材料TB — 3為最佳修補劑。

2) 利用掃描電子顯微鏡(SEM),對比了BLANK組和TB — 3組在6 h和28 d的表面微觀構造與組成，發(fā)現TB — 3修補材料的摻入對水泥中鈣礬石等水化產物的形成具有促進作用。

3) 通過抗折強度試驗表征TB — 3水泥砂漿的粘結能力，試驗證明，TB — 3組砂漿的粘結力在9 h時為BLANK組的3.5倍，28 d時為BLANK組的4.67倍，粘結力有所提高。

4) 實驗證明TB — 3水泥混凝土的施工和易性能滿足施工要求，摻入TB — 3能顯著提高水泥混凝土的早期抗折抗壓強度。特別地，TB — 3水泥混凝土的9 h時的抗折強度和抗折強度都顯著提高，在水泥混凝土道路常見病害的快速修補方面有一定的應用前景。

5) 通過人工模擬干燥環(huán)境，驗證了TB — 3水泥混凝土具備良好的抗開裂性能。

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1008-844X(2017)03-0080-04

U 414

A

2017-03-30

黃建勝(1975-)，男，工程師，從事公路工程技術工作。