微生物修復(fù)混凝土裂縫的試驗觀測

練繼建，王昶力，閆?玥，付登鋒，齊?浩

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微生物修復(fù)混凝土裂縫的試驗觀測

練繼建1，王昶力1，閆?玥1，付登鋒1，齊?浩2

(1. 天津大學(xué)水利工程仿真與安全國家重點實驗室，天津 300072； 2. 天津大學(xué)系統(tǒng)生物工程教育部重點實驗室，天津 300072)

微生物修復(fù)技術(shù)所需的菌液流動性好，修復(fù)過程中微生物代謝物與水泥基材料有著良好的相容性和界面強度，因此，具備能耗低、綠色環(huán)保、施工簡便的潛力．針對微生物修復(fù)混凝土裂縫問題，通過試驗研究了環(huán)境堿度對細(xì)菌生長和微生物礦化的影響，探討了膠結(jié)溶液的最優(yōu)濃度配比和膠結(jié)時間，并將這些參數(shù)運用于后續(xù)微生物修復(fù)混凝土裂縫的試驗中．試驗中考慮了裂縫表觀形狀(裂縫深度、寬度及延伸角度)的差異，觀察了碳酸鈣沉淀的沉積方式，并采用X射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)手段監(jiān)測其沿裂縫界面的晶體組成和形貌．結(jié)果表明：菌體自身對環(huán)境堿性突變具有自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境堿性并非過高時(pH≤12)，菌體在生長代謝過程中能夠驅(qū)使環(huán)境pH值向著最適宜菌體自身生長的pH值(約為8.7)發(fā)展；快速誘導(dǎo)碳酸鈣沉積修復(fù)混凝土裂縫的最佳膠結(jié)液有效濃度為0.83mol/L，最優(yōu)微生物礦化間隔時間為5h；裂縫表觀形狀的差異導(dǎo)致細(xì)菌在裂紋表面上的吸附不均勻性，其中裂縫的寬度不直接影響微生物修復(fù)的機理，而裂縫深度和裂縫傾角會影響碳酸鈣沉淀的均勻性；使用注射和漫灌膠結(jié)液的方式修復(fù)具有不同表觀形狀的裂縫的混凝土最好的修復(fù)效果能將混凝土的滲透性降低4個數(shù)量級(從10-4m/s到10-8m/s)．

混凝土；裂縫；微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀；修復(fù)；滲透性

混凝土作為一種建筑材料，廣泛地應(yīng)用于基礎(chǔ)建設(shè)領(lǐng)域，并且隨著工業(yè)化、城市化及現(xiàn)代化進(jìn)程的推進(jìn)，其在建筑、水利、港口等行業(yè)得到了大力的發(fā)展.由于復(fù)雜的工程環(huán)境，如溫度的驟變、地基土的不均勻沉降、過大的局部荷載、未達(dá)標(biāo)準(zhǔn)的施工質(zhì)量及不合理的后期養(yǎng)護(hù)等，混凝土經(jīng)常因自身較低的抗拉強度而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)開裂現(xiàn)象[1-3]，隨著裂縫的發(fā)展甚至可能導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)的破壞．

傳統(tǒng)的混凝土裂縫處理方法有多種，主要有表面處理法[4]、灌漿法[5]和結(jié)構(gòu)補強法[6]，但是各自都存在一定的局限性．自20世紀(jì)晚期，一種新型的混凝土裂縫的修復(fù)手段——微生物修復(fù)技術(shù)(MICP)[7]被提出，它是一種微生物技術(shù)在建筑工程領(lǐng)域的應(yīng)用，由于修復(fù)裂縫所需的菌液流動性好，修復(fù)過程中微生物代謝物與水泥基材料有著良好的相容性和界面強度，因此，具備能耗低、綠色環(huán)保、施工簡便的特點．

天然微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積現(xiàn)象的發(fā)現(xiàn)[8]引起了大量學(xué)者對于微生物礦化理論的研究，特別是巴氏芽孢桿菌[9]，其在眾多產(chǎn)脲酶微生物中是產(chǎn)脲酶能力比較高的細(xì)菌，細(xì)胞內(nèi)生成的脲酶可以達(dá)到1%的細(xì)胞干重[10]，此外它能在15～37℃下生長，廣泛分布于土壤等環(huán)境中，無毒害，不會造成生態(tài)污染．因此，國內(nèi)外微生物誘導(dǎo)生成碳酸鈣的研究中，很多都采用該細(xì)菌．巴氏芽孢桿菌，兼性厭氧菌，細(xì)胞呈桿狀(長度2～3μm)，革蘭氏陽性，芽孢圓形(直徑0.5～1.5μm)，在其自身的生長代謝過程中可以持續(xù)產(chǎn)生一種高活性的脲酶[11]，催化尿素的水解，生成氨氣和二氧化碳，通過細(xì)胞壁分散到溶液中，然后迅速水解生成銨根離子和碳酸根離子[12]．微生物生長環(huán)境中的鈣離子將會吸附到細(xì)菌細(xì)胞表面[13]，并與尿素水解后生成的碳酸根結(jié)合生成碳酸鈣沉淀，包裹住細(xì)菌．此外，尿素分解產(chǎn)生的銨離子，會使微生物細(xì)胞附近呈堿性，也有利于碳酸鈣沉淀的生成[14]．

巴氏芽孢桿菌作為一種修復(fù)菌，被廣泛應(yīng)用于地基加固、多孔材料修復(fù)和混凝土裂縫修復(fù)等領(lǐng)域. Dejong等[14]利用巴氏芽孢桿菌膠凝加固松散的砂土體，提高其抗剪強度．文獻(xiàn)[13，15]采用該細(xì)菌生成的碳酸鈣作為多孔材料表面修復(fù)的膠凝物質(zhì)，同時進(jìn)行了混凝土裂縫的修復(fù)試驗，提高帶有裂縫的混凝土的抗壓強度與剛度．Van Paassen[16]通過控制灌漿速度、灌漿時間、菌液與膠凝液的量等因素，使砂土單軸抗壓強度最高達(dá)到12MPa．李沛豪等[17]采用該菌對混凝土及石質(zhì)文物表面保護(hù)進(jìn)行了研究，有效提高混凝土的抗碳化能力．文獻(xiàn)[18-19]采用瓊脂作為載體將菌體和營養(yǎng)物質(zhì)固定于水泥石表面，大幅度降低材料表面的吸水率，起到抵抗流水侵蝕的作用，還通過將高度濃縮的細(xì)菌材料、尿素、氯化鈣與砂顆粒攪拌混合，形成漿體材料注入到水泥石的人造裂縫中的方式，使修復(fù)后的樣品抗壓強度有一定的恢復(fù).

混凝土自身具有較高的堿性(pH值約為12)，可能影響菌體的活性以及細(xì)菌的礦化作用，且堿性環(huán)境的模擬與工程環(huán)境相似，均表現(xiàn)出初期堿性比較強，然后逐漸減小至穩(wěn)定．因此本文首先系統(tǒng)地測量了不同堿性環(huán)境對微生物的生長和微生物礦化的影響. 其次，細(xì)菌的礦化影響因素很多，如細(xì)菌濃度、膠結(jié)液濃度、靜置時間等，本文通過碳酸鈣沉淀量和鈣離子利用率作為礦化的控制指標(biāo)，確定快速沉積碳酸鈣所需的膠結(jié)液濃度與菌液和膠結(jié)液的體積配比，為微生物修復(fù)混凝土裂縫試驗提供最優(yōu)參數(shù)．復(fù)雜的環(huán)境工況往往造成混凝土裂縫的開裂程度(如裂縫的寬度及深度)以及開裂角度不同，這可能潛在地影響微生物礦化修復(fù)裂縫的機理，因此通過對不同表觀形狀的裂縫進(jìn)行修復(fù)，采用X射線衍射儀(XRD)和掃描電子顯微鏡(SEM)手段進(jìn)行監(jiān)測，分析碳酸鈣在裂縫界面處的沉積機理，并通過滲透性測試判定混凝土裂縫的修復(fù)效果．

1?試驗材料和設(shè)備

1.1?帶有裂縫的混凝土塊

試驗用混凝土按照強度等級為C30進(jìn)行制作，其材料配合比為水∶水泥∶砂子∶碎石＝1∶0.49∶2.37∶1.47．混凝土裂縫采用鋼板插拔法制作，即在澆筑混凝土?xí)r將鋼板插入(見圖1)，在混凝土初凝后終凝前將鋼板拔出，制作出不同寬度、深度的混凝土裂縫．

圖1?鋼板插拔法制作裂縫

尺寸為100mm×100mm×100mm的混凝土試件在溫度為20℃±2℃、濕度為95%的條件下養(yǎng)護(hù)28d后，對裂縫進(jìn)行試驗前的處理．首先對混凝土試件進(jìn)行沖洗，使試件表面及裂縫中清潔，無其他雜質(zhì)．晾干后對混凝土試件裂縫的底部進(jìn)行處理，沿裂縫長度方向用透明膠帶粘貼，然后用玻璃膠進(jìn)行密封(見圖2)，以防止試驗初期菌液以及礦化形成的碳酸鈣的流失．

圖2?混凝土裂縫處理

1.2?菌?液

試驗用菌是在美國菌種保藏中心購買的編號為ATCC 11859的巴氏芽孢桿菌．發(fā)酵培養(yǎng)基成分為酵母提取物(20g/L)、Tris(17.5g/L)、硫酸銨(10g/L).培養(yǎng)基在高壓立式蒸汽滅菌鍋中121℃的溫度下滅菌20min．冷卻后，采用1%的比例接種，在搖床中培養(yǎng)24h(原因見后述，溫度為30℃，轉(zhuǎn)速為220r/min)，得到細(xì)菌濃度OD600為2.7～3.0(相當(dāng)于3.33×108～4.37×108cells/mL)，脲酶活性為15～22mmol/(L·min)，取出放在4℃冰箱中儲存?zhèn)溆茫褂们胺旁趽u床中搖至室溫，使菌液的脲酶活性恢復(fù)到15～22mmol/(L·min)．

1.3?脲酶活性的測量

在測量細(xì)菌的脲酶活性時，將1mL細(xì)菌懸濁液與5mL 3mol/L的尿素溶液和4mL去離子水混合，測量尿素的水解速率．記錄5min內(nèi)電導(dǎo)率的增長量．尿素的水解速率等于電導(dǎo)率每分鐘的變化量乘以1.11的系數(shù)[20]．

1.4?裂縫修復(fù)裝置

修復(fù)混凝土裂縫的裝置如圖3所示，尺寸為101mm×101mm方形容器由有機玻璃制作而成，用于放置待修復(fù)的混凝土試件，并由一個四角的有機玻璃支架支撐，方形容器的底端中部開口用于收取修復(fù)過程的流出液，頂部為敞開處理，便于在試驗中加入菌液及膠結(jié)液，為防止所加試劑從混凝土的側(cè)壁流出，將混凝土與方形容器之間的縫隙用玻璃膠密封．

圖3?修復(fù)混凝土裂縫的裝置

1.5?滲透性測試裝置

修復(fù)后的混凝土滲透性測試裝置見圖4．所采用的設(shè)備是文獻(xiàn)[21-22]中描述的低壓水滲透性測試的改進(jìn)版本．裝置由有機玻璃制成，分為上部、中部、底部3部分，上部提供滲透試驗所需的水壓，中部放置混凝土塊，底部進(jìn)行排水．試驗前，將滲透裝置的上部、下部與中部連接，中間墊上硅膠墊，用螺絲擰緊，保證裝置的密封性．

圖4?混凝土滲透性測試裝置

2?試驗內(nèi)容

2.1?環(huán)境堿性變化對微生物生長的影響試驗

細(xì)菌在250mL的錐形瓶中培養(yǎng)，采用5mol/L的HCl或濃度為10mol/L的NaOH溶液對在搖床中培養(yǎng)過24h的細(xì)菌懸濁液調(diào)節(jié)pH值至7、8、9、10、11、12、13，有一組試驗不進(jìn)行pH值調(diào)節(jié)作為對照(見表1)，經(jīng)過一段時間后，使用移液槍從錐形瓶中吸取特定數(shù)量的細(xì)菌以測量細(xì)菌懸浮液的特性，監(jiān)測菌體濃度OD600、單體脲酶活性及菌體生長過程中pH值變化．分析細(xì)菌在堿性變化后的適應(yīng)情況．

表1?微生物生長試驗

Tab.1?Microbial growth experiments

2.2?膠結(jié)液濃度與菌液和膠結(jié)液的體積配比對礦化的影響試驗

配制濃度為0.25、0.50、0.75、1.00、1.25、1.50mol/L的膠結(jié)液，使用10mol/L NaOH溶液將膠結(jié)液調(diào)制至與培養(yǎng)基相同的pH＝8.7，然后將菌液和不同濃度的膠結(jié)液按照體積比為2∶1、1.4∶1、1∶1、1∶1.4、1∶2、1∶3、1∶5的比例混合，控制混合液的總體積為24mL，靜置24h后，測量42組試驗生成的碳酸鈣的生成量．這個試驗(42組)是為了研究膠結(jié)溶液濃度對微生物礦化的影響．注意，考慮到混合后的體積變化，將膠結(jié)溶液的濃度換算到相應(yīng)的操作濃度．例如，初始濃度為0.25mol/L、混合物體積比為1∶1時，相應(yīng)的操作濃度值為0.125mol/L．

2.3?堿性變化對微生物礦化的影響試驗

預(yù)先采用5mol/L的HCl或濃度為10mol/L的NaOH溶液將初始濃度為1mol/L的膠結(jié)溶液的pH值分別調(diào)為未調(diào)、7、8、9、10、11等6種堿度，然后將4mL在搖床中(30℃，220r/min)培養(yǎng)24h的菌液加入放有20mL不同pH的膠結(jié)液的注射器中，在分別靜置1h、3h、5h、8h、12h、18h、24h、36h后，測量生成的碳酸鈣含量，研究環(huán)境堿性對微生物礦化的影響．注意，細(xì)菌懸浮液與膠結(jié)溶液的體積比為1∶5，使膠結(jié)溶液的有效濃度為0.83mol/L．

2.4?微生物礦化修復(fù)混凝土裂縫試驗

混凝土修復(fù)試驗按照裂縫的表觀特性被分為14個試驗，詳見表2．每個裂縫修復(fù)過程分為兩個階段：注射修復(fù)、漫灌修復(fù)．漫灌、注射時機的選擇與裂縫的大小以及裂縫內(nèi)的填充程度有關(guān)．初期裂縫中有明顯孔隙，采用注射器注射法，針頭可以深入裂縫中，且不會破壞生成的碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)，按照1∶5的菌液和膠結(jié)液比例向裂縫中添加試劑，注射過程中保持勻速，使菌液和膠結(jié)液完全混合，有助于碳酸鈣的沉積和擴展．添加后，靜置5h，然后將之前反應(yīng)后的殘液控出，再加入新的菌液和膠結(jié)液，直至膠結(jié)50次后，已經(jīng)看不到明顯的裂縫為止．然后將混凝土塊安放在滲透測試裝置上以漫灌的方式再進(jìn)行修復(fù)，填充混凝土裂縫中仍存在的孔隙，使裂縫的修復(fù)更加致密，進(jìn)一步提高混凝土的抗?jié)B性．菌液和膠結(jié)液分別取10mL和50mL對整個試件漫灌，每一次的時間間隔是5h，修復(fù)4～6次，至反應(yīng)殘液不再明顯下滲為止．

表2?混凝土裂縫修復(fù)試驗

Tab.2 Experiments on microbial remediated crack in concrete

注：傾角為裂縫與豎直方向的夾角．

2.5?碳酸鈣晶體成分及微觀形貌監(jiān)測試驗

為研究不同pH值環(huán)境和不同的裂縫深度生成的碳酸鈣的成分，用去離子水對白色沉淀進(jìn)行清洗，再用酒精清洗，直至把白色沉淀物表面含有的有機物去除干凈為止，烘干進(jìn)行X射線衍射(XRD)物相分析．本文對表2中的試驗F3行了XRD測試分析．此外，通過SEM對上述試驗中析出的碳酸鈣晶體形貌進(jìn)行了監(jiān)測．

2.6?滲透性試驗

本文對表2中的所有試件，在修復(fù)后進(jìn)行滲透性測試．測試前，將含裂縫的混凝土試件浸在水中12h以上，保證其充分飽和，將表面洗凈，擦干，然后將其安放在放入測試裝置的容器中，測量滲透系數(shù)．試樣的滲透系數(shù)可以按照達(dá)西定律計算，即

3?試驗結(jié)果

3.1?菌體生長曲線

菌體的生長代謝是菌體消耗周圍環(huán)境中的養(yǎng)分，自身逐漸分裂增殖并分泌代謝物的過程，一般根據(jù)細(xì)菌濃度OD600，菌體的生長周期可分為延滯期、對數(shù)生長期、穩(wěn)定期、衰亡期[23]．

巴氏芽孢桿菌的OD600隨菌液在搖床中的滯留時間的變化規(guī)律如圖5所示，此即為菌體的生長代謝曲線．菌體的延滯期約為6h，此階段，細(xì)菌在細(xì)胞體內(nèi)合成大分子有機物，為細(xì)菌的分裂增殖合成、儲備充足的酶、能量及中間代謝產(chǎn)物；菌體將會在隨后大約14h的對數(shù)期內(nèi)迅速生長繁殖；直到細(xì)菌數(shù)量達(dá)到最大值并維持一段時間的穩(wěn)定，其OD600約為2.8，此時菌體步入穩(wěn)定期，約為28h；最后由于營養(yǎng)物質(zhì)消耗和毒性產(chǎn)物積累等不利因素的影響，細(xì)菌繁殖速度逐漸下降進(jìn)入衰亡期．由此可見，為了使微生物礦化修復(fù)裂縫中保持較高的尿酶活性，菌液在搖床中培養(yǎng)菌液的時間宜為20h左右，本文在后續(xù)的所有試驗中均采用了培養(yǎng)24h的細(xì)菌，使礦化過程中菌體的生長代謝處于穩(wěn)定期．

圖5?菌體的生長代謝曲線

3.2?環(huán)境pH值變化對菌體生長代謝的影響

當(dāng)采用微生物修復(fù)混凝土裂縫時，細(xì)胞處于強堿性條件(pH值約為12)，這可能導(dǎo)致細(xì)菌尿素水解效率的變化，從而影響裂縫修復(fù)過程．本文通過分析細(xì)菌濃度OD600、特定脲酶活性和環(huán)境pH值的變化，觀察不同pH值環(huán)境下細(xì)菌的生長和代謝情況．

圖6展示了環(huán)境不同的pH值下菌體的OD600隨時間的變化規(guī)律．試驗B1-R顯示了菌體周圍環(huán)境的pH值未進(jìn)行調(diào)整時，菌體基本處于對數(shù)期的末期，菌體OD600初值約為2.5，并逐步地進(jìn)入了穩(wěn)定期，其峰值約為2.8，持續(xù)了約15h，隨后開始逐漸衰亡．試驗B1-1(pH＝7)及B1-2(pH＝8)表現(xiàn)出與其極為相似的規(guī)律，這暗示了未調(diào)整菌體周圍環(huán)境的pH值時，其自身周圍的pH值比較接近7～8．這種堿性的體現(xiàn)主要來源于菌體水解脲酶時其細(xì)胞壁外生成氨氣的同時伴隨有OH-生成．試驗B1-3(pH＝9)表現(xiàn)出菌體發(fā)生了進(jìn)一步的分裂增殖，使得OD600峰值達(dá)到了約為3.1，暗示出菌體更適宜于在pH值約為9左右的周圍環(huán)境中生長．試驗B1-4(pH＝10)、B1-5 (pH＝11)、B1-6(pH＝12)、B1-7(pH＝13)則展現(xiàn)了明顯的菌體OD600衰減現(xiàn)象，尤其是在初始段，pH值越大，衰減越明顯，說明了大量的菌體無法承受高堿性的外部環(huán)境而逐漸分解死亡．

圖6?細(xì)菌濃度隨時間的變化

圖7展示了菌體的單體脲酶活性隨時間的變化曲線，反映了單個細(xì)菌在水解尿素時催化效果．稍大于10的pH值可以被認(rèn)為是分界點，并將所有響應(yīng)分成兩簇．在pH≤10時，單體脲酶活性呈現(xiàn)相似的趨勢，先增加然后逐漸降低．這表明：①環(huán)境中適當(dāng)?shù)膒H值可以在開始時促進(jìn)脲酶的水解；②高脲酶活性在試驗期間不能維持，即使是在記錄的前半段時間內(nèi)(在28h之前，對應(yīng)于細(xì)菌生長的穩(wěn)定期)；③當(dāng)細(xì)菌生長進(jìn)入衰退期(28h后)時，單體脲酶活性會發(fā)生明顯衰減．當(dāng)pH＞10時，單體脲酶活性在初始階段急劇下降，并維持在約1mmol/(L·min)的低水平，這意味著高堿性環(huán)境抑制細(xì)菌生長以及影響尿素水解的脲酶．

圖7?單體脲酶活性隨時間的變化

圖8展示了菌液中的pH值隨時間的變化，在pH＜9時，可觀察到pH值適度增加，這與細(xì)菌生長期間OH-離子的積累一致[24-26]．在9＜pH＜13時，可以發(fā)現(xiàn)pH輕微降低．所有測試(除了試驗B1-7，?pH＝13)都顯示出向適宜的pH值發(fā)展的趨勢(約為8.7)．可以看出細(xì)菌本身具有調(diào)節(jié)周圍細(xì)胞環(huán)境中堿度以達(dá)到最利于細(xì)菌生長和代謝的pH值的能力．極端高堿性環(huán)境(試驗B1-7，pH＝13)不能使細(xì)菌活著，因此pH值幾乎保持在原始值．

圖8?pH值隨時間的變化

3.3?膠結(jié)液濃度對細(xì)菌礦化的影響

圖9顯示了來自42個不同濃度的膠結(jié)溶液的微生物礦化測試的試驗結(jié)果，其中分別包括碳酸鈣沉淀的量和鈣離子的利用率．在的觀察范圍內(nèi)，隨的變化呈雙曲線增加，而隨的變化表現(xiàn)出近似線性的下降．這反映了在較高濃度的膠結(jié)溶液中，細(xì)菌細(xì)胞壁周圍存在大量的鈣離子使尿素酶活性受到抑制．它們對應(yīng)的擬合曲線表達(dá)為

從上面的討論可以看出，和隨的變化表現(xiàn)出了補償響應(yīng)，因此和不能同時在最高值時被采用．本文中，的值取為1mol/L，相當(dāng)于相當(dāng)高的(約13.4mmol)，但很低(約0.58)．這可以確保微生物礦化產(chǎn)生大量的CaCO3，避免鈣源的浪費．

圖9?膠結(jié)液的實際濃度對微生物礦化的影響

采用SEM分析不同細(xì)菌懸浮液和膠結(jié)溶液的體積比生成的碳酸鈣晶體的形貌，如圖10所示．當(dāng)細(xì)菌懸浮液和膠結(jié)液的體積比為1∶5時，微生物礦化后產(chǎn)生的CaCO3晶體呈現(xiàn)穩(wěn)定致密的方解石相．當(dāng)體積比大于1∶5(即2∶1、1∶1和1∶3)時，可以發(fā)現(xiàn)大量的球霰石．

3.4?環(huán)境pH值突變對微生物礦化的影響

微生物礦化的進(jìn)一步研究將培養(yǎng)基的堿性考慮了進(jìn)來，此時膠結(jié)液的真實濃度為0.83mol/L．碳酸鈣的量隨著時間變化的結(jié)果如圖11所示．碳酸鈣沉淀的生成量在最初5h內(nèi)急劇增加，隨后緩慢增加至24h后不再生成碳酸鈣．對于pH值較高的情況(B1-4，pH＝10)，發(fā)現(xiàn)碳酸鈣沉淀量在早期8h內(nèi)完成，與其他情況相比低27％．因此，微生物礦化的最優(yōu)停滯時間m是5h，從而提升了時間的有效性．

圖10 不同菌液和膠結(jié)液配比下生成的碳酸鈣晶體的SEM圖像

圖11?碳酸鈣量隨pH值的變化

在微生物礦化之后，通過SEM分析沉淀的碳酸鈣晶體的形態(tài)(見圖12)．當(dāng)菌體周圍pH＝7時，生成的碳酸鈣晶體的形貌以密集的斜方六面體為主．隨著pH值的升高，碳酸鈣的晶型逐漸向球形或球狀聚集體發(fā)展，在pH值比較適中時，碳酸鈣的形貌則更像這兩種形狀的混合．造成這種現(xiàn)象的主要原因可能是較高的pH值使得游離在菌體周圍的HCO3-離子，快速地轉(zhuǎn)換為CO32-離子并與鈣離子結(jié)合，形成了碳酸鈣，這樣不利于晶型的發(fā)展，因此呈現(xiàn)球形．球形與球形相互碰撞堆積，形成球狀聚集?體[27]．為了鑒別碳酸鈣晶體的成分，相應(yīng)的XRD分析結(jié)果如圖13所示，譜圖在2＝23.0°、24.9°、27.0°、29.4°、32.7°、39.4°附近出現(xiàn)特征衍射強峰．對照ASTM No.99-0022和No.33-0268卡片可知，在不同pH值環(huán)境中生成的碳酸鈣均存在方解石和球霰石兩種物相．

圖12?碳酸鈣晶體的SEM圖像

圖13?碳酸鈣晶體的XRD譜

3.5?微生物礦化修復(fù)裂縫時碳酸鈣沉積機理

基于前面的試驗，選擇穩(wěn)定期的細(xì)菌懸浮液，最優(yōu)實際濃度和最優(yōu)微生物礦化時間m用于混凝土裂縫修復(fù)試驗．考慮裂縫寬度、深度和傾角的變化，會產(chǎn)生不同的細(xì)菌生長環(huán)境，從而影響混凝土裂縫內(nèi)微生物礦化過程中碳酸鈣的吸附和沉積．

為了考察膠結(jié)過程中碳酸鈣的沉積機理，表3展示了4種典型的裂縫表觀形狀在注射修復(fù)過程中沿混凝土裂縫表面的碳酸鈣沉積情況．將F3的樣本作為比較分析的參考．F3與其他試件的比較表明：

(1) 混凝土裂縫的修復(fù)自上而下進(jìn)行，這與沉積碳酸鈣沿裂縫表面的沉積邊界線有關(guān)；

(2) 具有窄裂縫(F2)的試件顯示出模糊的邊界線，并且在40次膠結(jié)循環(huán)(對應(yīng)于200h的礦化)之后形成非常薄的碳酸鈣層．另外，經(jīng)過24次膠結(jié)循環(huán)(120h)后，出現(xiàn)黃色片狀物，它可能是營養(yǎng)物質(zhì)的堆積，是由于細(xì)菌懸浮液與膠結(jié)液的混合不均勻，或者堿性太高，又或缺乏空氣造成的；

(3) 具有一定傾角(F12)的裂紋的試樣通過與相同數(shù)量的膠結(jié)周期后的F2進(jìn)行比較，顯示出沉積碳酸鈣沿著裂紋表面的傳播較慢．這歸因于自重引起的細(xì)菌沉降的發(fā)生，并且較小的局部傾向減弱了細(xì)菌沉積；

(4) 具有淺深度裂縫(F7)的試樣展現(xiàn)出類似的碳酸鈣沉積機理，這表明裂縫深度對裂縫修復(fù)的影響最小．

表3?混凝土裂縫內(nèi)的膠結(jié)進(jìn)程

Tab.3?Process of remediation in concrete cracks

3.6?裂縫中碳酸鈣晶體的形貌及成分

圖14～圖16展示了試驗F3(裂縫寬度1mm，深度10cm，傾角0°)中裂縫修復(fù)后沿不同深度的碳酸鈣晶體的XRD及SEM分析結(jié)果．圖14描述了分析所需的碳酸鈣顆粒的觀察位置．圖15展示了XRD分析結(jié)果，譜圖在2＝24.8°、27.0°、32.6°、43.8°、49.9°等位置附近出現(xiàn)特征衍射強峰．對照ASTM No.72-0506卡片可知，裂縫中形成的碳酸鈣晶體以球霰石形式存在．圖16展示了圖14中各點的SEM觀察結(jié)果，發(fā)現(xiàn)、、、處形成的球霰石的形貌基本相同，以大小不一的球形或球狀聚集體為主，直徑為1～10μm，裂縫最下部的碳酸鈣晶體最稀疏，這跟注射法修復(fù)過程中下部的菌體吸附較少有關(guān)，此時晶體形貌與球形或球狀聚集體的球霰石晶型和前述較高pH值環(huán)境下礦化析出的晶體類型相似，菌體水解尿素過程中在細(xì)胞壁外生成的有機大分子卷曲并相互纏繞形成曲面結(jié)構(gòu)，表面極性基團誘導(dǎo)Ca2＋與較強堿性環(huán)境下提供的足量的CO32-離子結(jié)晶形成以菌體為成核點的團聚體，團聚體與團聚體之間相互接觸碰撞形成堆積結(jié)構(gòu)[20]．

圖14?混凝土裂縫中碳酸鈣的觀察位置

圖15?不同位置碳酸鈣晶體的XRD譜

圖16?不同位置碳酸鈣晶體的SEM圖像

3.7?礦化修復(fù)混凝土的滲透性比較

混凝土的滲透性跟微生物礦化修復(fù)其裂縫時析出的碳酸鈣息息相關(guān)，本節(jié)對注射法修復(fù)過程中不同裂縫形狀的混凝土試樣的滲透性變化進(jìn)行了分析，并與后續(xù)漫灌法修復(fù)后的混凝土的滲透系數(shù)按照不同的裂縫表觀形狀進(jìn)行了比較分析．

圖17(a)展示了試驗F2、F3、F7及F12中混凝土試件的滲透系數(shù)與礦化次數(shù)(注入菌液和膠結(jié)液構(gòu)成的混合液的次數(shù))之間的變化規(guī)律，未處理的混凝土樣本的初始滲透率是注入次數(shù)為0時的滲透系數(shù)，其值為7×10-4～9×10-4m/s．經(jīng)過50次的礦化修復(fù)后，盡管裂縫的表觀形狀不同，但滲透系數(shù)基本呈現(xiàn)出近似的下降趨勢，下降了一個數(shù)量級，滲透系數(shù)約為3.7×10-5m/s．

圖17(b)展示了裂縫深度為100mm、傾角為0°、寬度不同(試驗F1、F2、F3、F4和F5)的混凝土試件的值的比較．50次注射修復(fù)后的試件的值與裂縫寬度無關(guān)，在4.58×10-5～2.05×10-5m/s之間變化．再經(jīng)過4次漫灌修復(fù)后，裂縫寬度為0.3mm(試驗F1)的試件的值減小到5.03×10-8m/s. 漫灌法修復(fù)后的試件滲透系數(shù)隨裂縫寬度的增加而增大，這與更寬的裂縫需要更長時間的生物礦化修復(fù)，對應(yīng)于更多的碳酸鈣晶體析出相符．

圖17(c)展示了裂縫寬度1mm、傾角為0°、不同裂縫深度的混凝土樣本(試驗F6、F7、F8和F9)的值比較．50次注入膠結(jié)循環(huán)后的結(jié)果在5×10-5m/s附近．經(jīng)過4次漫灌修復(fù)后，值在10-6～10-7m/s之間．在深裂紋深度(F9)的情況下可以發(fā)現(xiàn)值的反彈，這可能與自重引起的細(xì)菌沉降有關(guān)．因為它導(dǎo)致沿細(xì)菌裂縫深度的非均勻分布，這為碳酸鈣沉淀提供了成核位點．越深的裂縫，碳酸鈣晶體越不均勻地成核和生長，因此滲透性越低．

圖17(d)展示裂縫寬度為1mm、深度為10cm、不同裂縫傾角的混凝土試件的值(試驗F10、F11、F12、F13和F14)的比較．注入膠結(jié)50次循環(huán)后的試樣結(jié)果約為10-4～10-5m/s．經(jīng)過4次漫灌修復(fù)后，在較大傾角(＞30°，F(xiàn)13和F14)的情況下，可以觀察到較低的滲透率(值范圍為10-7～10-8m/s)．這表明，裂縫傾斜角度大(傾向于水平)有利于礦化過程中碳酸鈣的致密沉淀，因此滲透率低．

圖17?滲透系數(shù)隨裂縫形狀的變化

4?結(jié)論與展望

本文主要結(jié)論如下：

(1) 菌體自身體現(xiàn)了對環(huán)境堿性突變的自適應(yīng)能力，當(dāng)環(huán)境堿性并非過高時(pH≤12)，菌體在生長代謝過程中能夠驅(qū)使環(huán)境pH值向著最適宜菌體自身生長的pH值(約為8.7)發(fā)展；

(2) 為快速誘導(dǎo)碳酸鈣沉積修復(fù)混凝土裂縫，最佳膠結(jié)液有效濃度為0.83mol/L，最優(yōu)微生物礦化間隔時間m為5h；

(3) 裂縫表觀形狀的差異導(dǎo)致細(xì)菌在裂紋表面上的吸附不均勻性，這表明沿著裂縫界面的成核位點分散，因此碳酸鈣沉積比較分散．其中裂縫的寬度不直接影響微生物修復(fù)的機理，而裂縫深度和裂縫傾角會影響碳酸鈣沉淀的均勻性；

(4) 漫灌修復(fù)能夠彌補由注射修復(fù)的裂縫中的孔隙，從而增強混凝土的抗?jié)B性，但與完好的混凝土(滲透系數(shù)為4.91×10-10m/s)還有一定的差距．

微生物修復(fù)裂縫的應(yīng)用不僅僅局限于常規(guī)的混凝土，對于高性能礦渣混凝土和加氣混凝土?xí)懈玫倪m用性，礦渣混凝土和加氣混凝土中孔隙較多，利于細(xì)菌的吸附與生長，能更好地代謝產(chǎn)生碳酸鈣沉淀，將裂縫修復(fù)．但對于水下混凝土，雖然微生物修復(fù)方法也能適用，但水下環(huán)境會對微生物的濃度造成稀釋，使修復(fù)進(jìn)度緩慢，此外，大量的細(xì)菌會對水體造成生態(tài)污染，破壞生態(tài)平衡．

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Experimental Observations on Microbial Remediation of Concrete Cracks

Lian Jijian1，Wang Changli1，Yan Yue1，F(xiàn)u Dengfeng1，Qi Hao2

(1. State Key Laboratory of Hydraulic Engineering Simulation and Safety，Tianjin University，Tianjin 300072，China； 2. Key Laboratory of Systems Bioengineering of Ministry of Education，Tianjin University，Tianjin 300072，China)

concrete；crack；microbially induced carbonate precipitation；repair；permeability

10.11784/tdxbz201804037

TU525.9

A

0493-2137(2019)07-0669-11

2018-04-15；

2018-10-08.

練繼建（1965—??），男，博士，教授，jjlian@tju.edu.cn.

閆?玥，yueyan_geo@126.com.

國家重點研發(fā)計劃資助項目(2016YFC0401905).

the National Key Research and Development Program of China(No.2016YFC0401905).

(責(zé)任編輯：樊素英)