芽孢桿菌修復(fù)劑修復(fù)再生混凝土裂縫試驗(yàn)研究*

張為民，劉 超，，權(quán)宗剛，浮廣明，朱 超，劉化威

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

0 引 言

伴隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，全球范圍內(nèi)近十年的大數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)都指明：基礎(chǔ)設(shè)施和居民住房的興建會(huì)產(chǎn)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(guī)范控制的情況會(huì)導(dǎo)致掩埋堆填場(chǎng)地不足和環(huán)境進(jìn)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(shí)現(xiàn)建筑垃圾資源轉(zhuǎn)化及減少天然石料資源消耗的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)兼?zhèn)浣咏谔烊还橇匣炷恋男阅躘3]。Gholamreza F.等人[4]的實(shí)驗(yàn)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(xiàn)象主要是由于再生骨料附著砂漿的性質(zhì)所引起的。Fonseca N.等人[5]也進(jìn)行了相關(guān)實(shí)驗(yàn)，將抗壓強(qiáng)度、劈裂拉伸強(qiáng)度、彈性模量及耐磨性作為因素點(diǎn)。由此發(fā)現(xiàn)：在機(jī)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(qiáng)度都有損失。外環(huán)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(jié)構(gòu)破壞的主要因素之一，內(nèi)部鋼筋受侵蝕影響導(dǎo)致結(jié)構(gòu)失效問題日益突出。然而，國(guó)內(nèi)外關(guān)于混凝土的開裂研究主要在減少前期開裂下進(jìn)行，其開裂后或修復(fù)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(jìn)而對(duì)相關(guān)混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)[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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：自我修復(fù)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(huán)境。因而混凝土開裂后激發(fā)有效修復(fù)實(shí)現(xiàn)彌合裂縫的結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)但存在相關(guān)難點(diǎn)。

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)于再生混凝土結(jié)構(gòu)開裂下及開裂修復(fù)后性能的研究尚處于起步階段，缺乏必要的評(píng)價(jià)方法，因而在很大程度上限制了該類自修復(fù)結(jié)構(gòu)的進(jìn)一步推廣應(yīng)用。為此，本文作者以課題組前期進(jìn)行的芽孢桿菌濃度、再生粗骨料取代率為主要變化參數(shù)完成的24 根自修復(fù)再生混凝土短柱的開裂后修復(fù)性能試驗(yàn)為基礎(chǔ)[8-12]，進(jìn)一步深入對(duì)比分析芽孢桿菌對(duì)再生混凝土短柱在開裂后修復(fù)性能激發(fā)規(guī)律，以期為再生混凝土結(jié)構(gòu)裂縫耐久性的進(jìn)一步深入研究和工程應(yīng)用提供參考和依據(jù)。

1 試 驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)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(huán)?？萍脊镜慕ㄖY源化生產(chǎn)線，經(jīng)破碎機(jī)破碎，經(jīng)篩分、清洗，干燥后取得粒徑為5～15 mm，且連續(xù)級(jí)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(jīng)培養(yǎng)、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(fù)壓真空泵中負(fù)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(shè)計(jì)是以取代率為基準(zhǔn)，再生骨料作為修復(fù)裂縫的載體存在且不同取代率時(shí)僅改變?cè)偕止橇吓c天然骨料的比例，骨料總質(zhì)量保持不變?；炷猎嚇优浜媳仍O(shè)計(jì)詳見于表1。

1.2 試件設(shè)計(jì)與制作

以芽孢桿菌濃度和再生粗骨料取代率為變化參數(shù)，共設(shè)計(jì)并制作了24個(gè)具有芽孢桿菌修復(fù)能力的再生混凝土短柱試件和6個(gè)普通再生混凝土對(duì)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(xì)度模數(shù)為2.6，其堆積密度為1 300～1 600 kg/m3；試件設(shè)計(jì)水灰比為0.48，經(jīng)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(yǎng)護(hù)一周后預(yù)置裂縫。

1.3 附著裝置

采用負(fù)壓真空泵及壓力容器(圖1) 對(duì)再生粗骨料進(jìn)行負(fù)壓芽孢桿菌吸附， 其恒定壓力達(dá)到0.6 MPa負(fù)壓真空浸漬。載體在壓力容器內(nèi)真空將芽孢桿菌吸附進(jìn)入孔隙，關(guān)閉進(jìn)氣閥并啟動(dòng)負(fù)壓泵抽取空氣。當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)定壓力后，恒壓30 min。然后關(guān)閉電源，打開進(jìn)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(gè)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(gè))，30%(2個(gè))及45%(2個(gè))。

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

1.4 加載及裂縫預(yù)置方式

試件經(jīng)制備自然灑水養(yǎng)護(hù)至7天后，采用電液伺服壓力機(jī)對(duì)其進(jìn)行3點(diǎn)加載，加載裝置如圖2所示。為獲取試樣跨中區(qū)破壞的延展裂縫，采用位移控制加載進(jìn)度，速度為0.05 mm/min。當(dāng)裂縫出現(xiàn)首條延展寬度為0.2 mm時(shí)，停止加載。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)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(fù)作用下發(fā)生了一系列的表觀變化。隨著時(shí)間的整張，有芽孢桿菌的試件出現(xiàn)的愈合現(xiàn)象基本相似，主要體現(xiàn)在: 當(dāng)裂縫產(chǎn)生初期時(shí)，混凝土裂縫處外觀無變化，與普通混凝土狀態(tài)基本相同;當(dāng)裂縫產(chǎn)生3 d后，RC30、RC50及RC100表面發(fā)生了輕微的修復(fù)現(xiàn)象，裂縫處顏色逐漸變白; 當(dāng)裂縫產(chǎn)生7 d時(shí)，RC50表面修復(fù)程度較大，部分區(qū)域產(chǎn)物呈彌合裂縫狀態(tài)。再生混凝土試件經(jīng)修復(fù)作用至彌合裂縫后，裂縫處整體性保持完好，未出現(xiàn)裸露裂口和孔洞等現(xiàn)象。試件在經(jīng)歷修復(fù)作用后的表觀形態(tài)如圖3所示。

圖2 加載裝置Fig 2 Loading device

2.2 試件加載現(xiàn)象

制備后再生混凝土試件的加載破壞形態(tài)與普通混凝土試件的相似，主要出現(xiàn)了試樣跨中受拉區(qū)的開裂現(xiàn)象。(1)在加載過程中，隨著荷載的增加，混凝土受拉區(qū)表面裂縫出現(xiàn)，裂縫沿著試樣向上延展，延展裂縫內(nèi)采用150倍裂縫觀測(cè)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(qū)開裂出現(xiàn)的時(shí)間越早。(2)試樣開裂后，裂縫呈現(xiàn)延展現(xiàn)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(xiàn)與軸線偏離現(xiàn)象越高。當(dāng)取代率為100%時(shí)，試件的開裂裂縫形態(tài)與裂縫內(nèi)側(cè)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(fù)后裂縫表面狀態(tài)Fig 3 Surface state of crack after repair

2.3 裂縫修復(fù)現(xiàn)象

采用面積修復(fù)率來反映開裂后試件芽孢桿菌修復(fù)的程度，其表達(dá)式為:

Wr=l0·Wt/l0·W0

(1)

式中:Wr為面積修復(fù)率，%;l0為開裂后試件的裂縫長(zhǎng)度，mm;Wt為開裂后裂縫的修復(fù)寬度，mm,W0為開裂后裂縫的初始寬度，mm。

為更深入對(duì)比分析試樣裂縫的修復(fù)率受芽孢桿菌濃度和再生骨料取代率的影響程度，對(duì)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(fù)率的平均值及不同芽孢桿菌濃度各組同取代率試件修復(fù)速率經(jīng)對(duì)比圖4發(fā)現(xiàn)如下結(jié)果：在修復(fù)時(shí)間增長(zhǎng)是有載體都顯現(xiàn)出較對(duì)照組更明顯的快速修復(fù)現(xiàn)象；而芽孢桿菌濃度在30%使各組試件有著最好的修復(fù)裂縫的峰值，45%芽孢桿菌濃度由于15%芽孢桿菌濃度修復(fù)總量，30%芽孢桿菌濃度修復(fù)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(duì)裂縫的修復(fù)會(huì)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(fù)現(xiàn)象并且沿修復(fù)時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)明顯的加速，RC10試樣直到裂縫開裂后第6天出現(xiàn)修復(fù)現(xiàn)象且修復(fù)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(bǔ)效率。此外，過高的取代率也會(huì)造成裂縫出現(xiàn)的幾率增加。

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

同理，對(duì)于芽孢桿菌濃度和載體取代率兩個(gè)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(fù)率的平均值，并以取代率r=0%對(duì)照試件為基準(zhǔn)進(jìn)行分析。隨著取代率的提高試件的修復(fù)性能基本呈線性增長(zhǎng)，且增幅不大; 當(dāng)取代率為50%時(shí)，裂縫的修復(fù)率明顯增大，而試件取代率為100%時(shí)，芽孢桿菌濃度為45%的修復(fù)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(huì)降低裂縫處的修復(fù)效果。

3 開裂修復(fù)對(duì)比分析

實(shí)際上在耐久性方面，再生骨料也表現(xiàn)出與天然骨料不同且復(fù)雜的性能形式。許多學(xué)者研究表明在混凝土中使用再生粗骨料會(huì)使混凝土耐久性變差。在高取代率混凝土中加入粉煤灰會(huì)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(duì)氯離子的滲透抵抗力也會(huì)下降，并且隨取代率的增加，碳化深度相應(yīng)增加。特別是大毛細(xì)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(dǎo)致再生混凝土耐久性變差的原因。對(duì)于相同的水灰比，添加20%再生粗骨料的試件密度值比對(duì)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(shí)間增長(zhǎng)，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(xiàng)或多項(xiàng)性能的損失。因而開裂修復(fù)是否有效提升耐久度是有效解決這一問題的關(guān)鍵。

3.1 表觀修復(fù)

以再生骨料為載體的芽孢桿菌修復(fù)效果產(chǎn)生外部修復(fù)的原因，經(jīng)過分析是由于再生骨料在拌和水泥基料形成構(gòu)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(jīng)開始進(jìn)行鈣礦化反應(yīng)，在試件內(nèi)部開始CaCO3的生成；在養(yǎng)護(hù)完成并壓制裂縫時(shí)，外部空氣及水分的進(jìn)入使外緣向內(nèi)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(jìn)一步與空氣中水分接觸得以持續(xù)水化，這導(dǎo)致裂縫產(chǎn)生時(shí)，沒有芽孢桿菌的試樣也出現(xiàn)了極少量的裂縫縮小的現(xiàn)象，見于圖5；同時(shí)，取代率相對(duì)小的試樣其載體分布較均勻的密度分布使CaCO3的生成形態(tài)呈現(xiàn)平鋪式的層式堆疊，其裂縫面的愈合效率大大降低，產(chǎn)生修復(fù)最大裂縫寬度小于高取代率再生骨料載體試樣。裂縫觀測(cè)儀下觀察可以發(fā)現(xiàn)：高取代率再生骨料載體形成的CaCO3呈現(xiàn)不規(guī)則堆疊狀晶體塊，這種點(diǎn)式聚集速度以及晶體粒徑均大于平鋪層式堆疊，這對(duì)裂縫產(chǎn)生后響應(yīng)修復(fù)速率起到很好的推動(dòng)作用。

圖5 再生骨料載體對(duì)裂縫修復(fù)作用Fig 5 Effect of recycled aggregate carrier on crack repair

3.2 內(nèi)部修復(fù)

隨著自我愈合的時(shí)間延長(zhǎng)，有載體的試樣裂縫長(zhǎng)度變小。當(dāng)修復(fù)時(shí)間達(dá)到28天，RC100的橫面裂縫完全修復(fù)。通過SEM電鏡觀察，混凝土裂縫橫面修復(fù)后縱向斷面會(huì)繼續(xù)緩慢修復(fù)，并隨時(shí)間的延長(zhǎng)，修復(fù)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(gè)點(diǎn)，而后不同修復(fù)點(diǎn)逐漸連接，最終整個(gè)裂縫橫面被完全填滿。這個(gè)流程整個(gè)裂縫完全填滿后，巴氏芽孢桿菌鈣礦化并未結(jié)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?？v向斷面生成的碳酸鈣在再生骨料周圍形成小型的不規(guī)則晶體團(tuán)；如圖6所示，斷面深處局部生成的碳酸鈣晶體與水化產(chǎn)物粘結(jié)在一起呈現(xiàn)較均勻分布；在靠近裂縫外緣處，碳酸鈣晶體多呈現(xiàn)梯狀堆疊狀態(tài)，且晶體粒徑普遍大于遠(yuǎn)離裂縫外緣處，同時(shí)在裂縫部分區(qū)域可見修復(fù)生成的CaCO3與針狀的水化產(chǎn)物交織在一起。

3.3 抗離子侵蝕

設(shè)置圖7中裝置對(duì)試樣進(jìn)行濃度為3.5%的氯化鈉溶液循環(huán)侵蝕進(jìn)行觀察，裂縫已完全修復(fù)試樣修復(fù)區(qū)域僅有少量氯化鈉沉積，而未完全修復(fù)試樣裂縫周圍有較多氯化鈉沉積，這種現(xiàn)象是由于修復(fù)產(chǎn)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(duì)不同組試樣氯離子侵蝕試驗(yàn)經(jīng)電鏡掃描后如圖8所示，結(jié)果發(fā)現(xiàn)裂縫內(nèi)未完全修復(fù)再生骨料載體修復(fù)產(chǎn)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(duì)內(nèi)部孔隙的侵蝕，阻止了離子向結(jié)構(gòu)內(nèi)部的進(jìn)一步侵蝕。

圖6 電鏡觀察下的修復(fù)物質(zhì)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(nèi)離子侵蝕Fig 8 Ion erosion in cracks

4 結(jié) 論

(1)再生骨料附著砂漿多孔疏松的性質(zhì)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(xiàn)出修復(fù)速度快、鈣礦化產(chǎn)物量高、碳酸鈣晶體粒徑大且結(jié)構(gòu)緊密等優(yōu)點(diǎn)。這是由于再生骨料使菌密度大大提高的同時(shí)，附著砂漿內(nèi)的空氣和水能夠在裂縫產(chǎn)生第一時(shí)間就進(jìn)行礦化反應(yīng)；而普通混凝土試件內(nèi)僅靠進(jìn)一步水化作用實(shí)現(xiàn)裂縫極小的修復(fù)過程，導(dǎo)致修復(fù)速度及修復(fù)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(gè)因素影響混凝土的修復(fù)效果，修復(fù)效果會(huì)隨取代率的提高不斷的提升，但芽孢桿菌濃度在30%使修復(fù)效果最好；過高的芽孢桿菌濃度會(huì)抑制芽孢桿菌增值和鈣礦化產(chǎn)生修復(fù)物質(zhì)的進(jìn)程中，由于再生骨料附著砂漿與水泥砂漿粘結(jié)性相對(duì)較差，但使較多聚集的芽孢桿菌處于裂縫處進(jìn)行修復(fù)工作，這導(dǎo)致高取代率的試樣更易開裂同時(shí)修復(fù)效果也更為明顯。

(3)再生骨料作為修復(fù)載體在混凝土中有著較好的應(yīng)用潛力?？梢酝茢?，利用再生骨料作為修復(fù)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(dāng)?shù)牧匠叽绾涂紫堵?，就可以提高混凝土裂縫修復(fù)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(jìn)一步深入研究。另一方面，由于再生骨料界面過渡區(qū)的復(fù)雜性，使用它作為修復(fù)載體替代品應(yīng)限于低置換水平。從而在自修復(fù)混凝土對(duì)環(huán)境起到有益作用的同時(shí)，給與其修復(fù)后強(qiáng)度和耐久性性能提升方面更多的關(guān)注。