再生骨料的微生物載具性及其在自修復(fù)混凝土中的應(yīng)用

劉 超， 呂振源， 肖建莊， 白國(guó)良

(1.西安建筑科技大學(xué) 理學(xué)院， 陜西 西安 710055; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院， 上海 200092；3.西安建筑科技大學(xué) 土木工程學(xué)院， 陜西 西安 710055)

混凝土抗拉強(qiáng)度約為抗壓強(qiáng)度的1/10，在服役過(guò)程中會(huì)不可避免地出現(xiàn)裂縫[1]，對(duì)結(jié)構(gòu)承載力性能及使用性能帶來(lái)諸多不利影響[2-4]，已經(jīng)成為亟待解決的問(wèn)題.而采用傳統(tǒng)后期人工修復(fù)方法，不僅經(jīng)濟(jì)成本高，而且修復(fù)效果會(huì)隨著服役齡期的延長(zhǎng)而顯著退化[5-7].自修復(fù)混凝土具有“開(kāi)裂激發(fā)、自動(dòng)修復(fù)”的特點(diǎn)，可以成為解決混凝土后期裂縫修復(fù)難題的有效方法[8-10].其原理是將微生物菌液以負(fù)壓真空方式吸附于載體上，再將載體經(jīng)40℃恒溫烘箱烘干后與混凝土集料混合.同時(shí)將乳酸鈣及其鈣鹽物質(zhì)添加在拌和水中，并按照配合比與水泥、上述混凝土集料拌和制備成混凝土.澆筑完成后，微生物在混凝土內(nèi)部處于休眠狀態(tài)，待混凝土受自身及外部因素影響開(kāi)裂后，進(jìn)而展開(kāi)鈣礦化作用(反應(yīng)機(jī)理詳見(jiàn)式(1))，將裂縫彌合從而實(shí)現(xiàn)自修復(fù)功能.微生物自修復(fù)混凝土有效提高了混凝土結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)期使用性能，同時(shí)兼顧了相對(duì)低廉的修復(fù)成本[11-13]，已經(jīng)成為當(dāng)前土木工程領(lǐng)域研究熱點(diǎn)之一.

(1)

目前，研究[14-18]發(fā)現(xiàn)僅靠微生物自身的修復(fù)能力，對(duì)結(jié)構(gòu)整體修復(fù)效果十分有限，如何有效提升微生物的修復(fù)效能成為自修復(fù)混凝土研究亟待解決的問(wèn)題，基于微生物載體的材料被諸多學(xué)者[19-23]加以深入探究.但是，聚氨酯、陶砂、膨脹珍珠巖及硅藻土等載體均受自身材料性能影響，在提升修復(fù)效果的同時(shí)，犧牲了某項(xiàng)或多項(xiàng)其他構(gòu)件性能.因此，能夠同時(shí)兼顧微生物載具性、力學(xué)性能和經(jīng)濟(jì)性的載體，是微生物水泥基自修復(fù)材料工程得以推廣的關(guān)鍵所在.

再生骨料[24]是建筑垃圾廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分、加工得到的產(chǎn)物.國(guó)內(nèi)外諸多研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化配合比設(shè)計(jì)的再生骨料混凝土具有接近天然骨料混凝土的力學(xué)性能[25-27].為此，本文基于再生骨料表面附著舊砂漿、疏松多孔的特點(diǎn)，以再生骨料作為微生物載體制備自修復(fù)混凝土，并重點(diǎn)對(duì)不同載體修復(fù)效能以及再生骨料自修復(fù)混凝土最優(yōu)配合比開(kāi)展試驗(yàn)研究.

1 基于微生物鈣礦化作用的不同載體修復(fù)對(duì)比試驗(yàn)

1.1 材料

嗜堿巴氏芽孢桿菌購(gòu)自陜西某微生物研究所，微生物按常規(guī)方法進(jìn)行接種、培養(yǎng).在將其接種至液體培養(yǎng)基后，在30℃，120r/min轉(zhuǎn)速條件下，置于恒溫?fù)u床內(nèi)恒溫培養(yǎng)24h；然后置于30℃無(wú)菌恒溫培養(yǎng)箱.選用常規(guī)P·O 42.5 R普通硅酸鹽水泥、對(duì)比載體(再生粗骨料、膨脹珍珠巖、硅藻泥)、天然細(xì)骨料、普通細(xì)砂及城市自來(lái)水制備自修復(fù)混凝土，其中載體的物理性能指標(biāo)見(jiàn)表1.

表1 載體物理性能

1.2 載體篩制方法

將未破碎的再生粗骨料，經(jīng)人工篩選出原狀石子、再生骨料、砂漿塊和雜質(zhì)后進(jìn)行人工破碎，選取粒徑為8～15mm的再生骨料作為微生物載體；購(gòu)置的常規(guī)硅藻泥粉以水料質(zhì)量比1∶1加水稀釋，攪拌均勻后置于100℃烘箱中烘干至恒重，然后進(jìn)行人工破碎并選取粒徑為8～15mm的硅藻泥塊以及粒徑為2～5mm膨脹珍珠巖作為微生物載體.

1.3 試件配合比及制作

試驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組自修復(fù)試件，其中NC組為澆筑時(shí)直接摻菌的無(wú)載體混凝土；BC組為以硅藻泥為載體的混凝土；EC組為以膨脹珍珠巖為載體的混凝土；RC組為以再生骨料為載體的混凝土.3組載體載菌均在0.6MPa負(fù)壓下真空浸漬吸附25min，然后置于無(wú)菌恒溫烘箱中40℃烘干24h.此方法兼顧使菌緊密附著于載體，以及使菌脫水休眠以起到保護(hù)作用的優(yōu)點(diǎn).各試件配合比如表2所示.

表2 試件配合比

試件所用P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥密度為3.15g/cm3；普通砂細(xì)度模數(shù)為2.6，堆積密度為1300～1600kg/m3.試件尺寸均為40mm×40mm×160mm棱柱體，且水灰比(質(zhì)量比)均為0.48，載體為混凝土體積的15%(澆筑時(shí)載體體積比換算成質(zhì)量比).經(jīng)手工攪拌制備自修復(fù)混凝土，且在試件成型后靜置48h脫模，然后在相對(duì)濕度為(85±5)%、溫度為(22±2)℃的條件下養(yǎng)護(hù)7d后預(yù)置裂縫.采用人工脫模方式會(huì)導(dǎo)致試件的相對(duì)濕度在脫模后3h內(nèi)低于90%、其余時(shí)間大于90%.

1.4 裂縫預(yù)置

通過(guò)電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)采用三點(diǎn)法為試件加載預(yù)置裂縫，具體方法為：以0.05mm/min的速率加載，當(dāng)試件的受拉側(cè)面最下端出現(xiàn)0.1～0.3mm裂縫，即停止加載并于持荷90s后卸載.沿試件裂縫每隔10.0mm設(shè)置1個(gè)裂縫觀測(cè)點(diǎn)[31]，記錄初始裂縫寬度，并將試件置于自然環(huán)境灑水養(yǎng)護(hù)，在7、14、21、28d 時(shí)進(jìn)行裂縫觀測(cè)點(diǎn)寬度測(cè)量，不同試件的預(yù)制裂縫控制初始寬度平均值均為0.25mm.裂縫標(biāo)記點(diǎn)采用點(diǎn)修復(fù)率wp表征局部修復(fù)效能(式(2))；試件采用等距面積修復(fù)率wa表征整體修復(fù)效能(式(3)).

(2)

式中：d0為觀測(cè)點(diǎn)初始裂縫寬度，mm；dt為修復(fù)td后觀測(cè)點(diǎn)剩余裂縫寬度，mm.

(3)

式中：di為有效修復(fù)寬度，mm；lr為對(duì)應(yīng)等距有效修復(fù)段長(zhǎng)度，mm；da0為等距初始裂縫寬度，mm；l0為初始裂縫總長(zhǎng)度，mm.

1.5 試驗(yàn)結(jié)果及分析

各組試件裂縫修復(fù)進(jìn)程微觀形貌見(jiàn)圖1，平均裂縫寬度見(jiàn)表3.因測(cè)量特點(diǎn)，試驗(yàn)以裂縫外部表征作為上述修復(fù)量計(jì)算，而裂縫內(nèi)部修復(fù)量不計(jì)入.由圖1和表3可以看出：在7d時(shí)，4組試件中的大部分表現(xiàn)出不同程度修復(fù)現(xiàn)象；相較于其他3組，RC組微生物激發(fā)時(shí)間更早、修復(fù)表征總量更高；在7d時(shí)，EC組修復(fù)表現(xiàn)并不明顯，修復(fù)總量劣于RC組和BC組，并且在修復(fù)前中期表現(xiàn)出一定程度的激活滯后；NC組隨著時(shí)間增長(zhǎng)一直保持低效的修復(fù)進(jìn)程，在28d時(shí)其修復(fù)總量約占RC組的34.7%、BC組的38.4%和EC組的50.0%.

圖1 各組裂縫修復(fù)情況Fig.1 Crack repair in each group

圖2為試件修復(fù)效能隨時(shí)間變化趨勢(shì).由圖2(a)、(b)可以看出：在修復(fù)周期內(nèi)，有載體組(RC、BC和EC組)較無(wú)載體組(NC組)都顯現(xiàn)出更大的趨勢(shì)角系數(shù)(更快的修復(fù)速度)；在前7d，RC、BC和EC組有較NC組更快的下降趨勢(shì)，分別為151.4%、117.1%和109.5%，表明前三者有著更高效的早期修復(fù)響應(yīng)；在7～14d，再生骨料相較于其他載體在前期過(guò)渡后有更快的修復(fù)加速度；在14～28d，NC和EC組修復(fù)趨勢(shì)對(duì)比另外2組并無(wú)明顯加快現(xiàn)象；在0～28d，NC組的線斜率k呈現(xiàn)較為穩(wěn)定甚至略微減小的現(xiàn)象,表明修復(fù)速率隨著時(shí)間的增長(zhǎng)經(jīng)過(guò)短暫提高后轉(zhuǎn)而降低；隨時(shí)間增長(zhǎng)EC組的線斜率呈現(xiàn)小幅增長(zhǎng)，表明修復(fù)速率經(jīng)過(guò)短暫提高后下降再提高；隨時(shí)間增長(zhǎng)RC和BC組試件斜率呈現(xiàn)明顯增長(zhǎng)趨勢(shì)，最大正向提升差值分別為262.0%和41.9%，表明修復(fù)速率隨修復(fù)時(shí)間有了很大提升.

表3 平均裂縫寬度

由圖2(c)可以看出：即使各載體芽孢桿菌處于低效反應(yīng)狀態(tài)，更高的修復(fù)效能，使其依舊得到了比同等條件下低效修復(fù)更顯著的加速效果.對(duì)比不同時(shí)間節(jié)點(diǎn)修復(fù)效能與修復(fù)率關(guān)系，得到其正負(fù)影響極值分別為+1.850和-1.000(±1.000為標(biāo)準(zhǔn)值)，由此發(fā)現(xiàn)高效的效能響應(yīng)對(duì)修復(fù)速率有著額外的提升作用(最大提升約為85.0%)；而低效的效能響應(yīng)對(duì)修復(fù)速率幾乎無(wú)影響(最大負(fù)極差值約為0%，即無(wú)提升作用).此外，面積顏色分布均呈現(xiàn)出高修復(fù)率對(duì)修復(fù)效能更強(qiáng)的影響趨勢(shì).

圖2 試樣修復(fù)效能隨時(shí)間變化趨勢(shì)Fig.2 Trends in repair performance over time for specimens

鑒于再生骨料在多載體對(duì)比試驗(yàn)中有著較好的修復(fù)效能表現(xiàn)，因此采用正交試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化再生骨料載體制備自修復(fù)混凝土配合比.通過(guò)剖析載體粒徑、菌液濃度(質(zhì)量分?jǐn)?shù))、載體占比和裂縫寬度4個(gè)因素對(duì)混凝土裂縫開(kāi)裂修復(fù)效能的影響，以獲得以再生骨料為載體的自修復(fù)混凝土最優(yōu)配合比.

2 基于再生骨料載體制備自修復(fù)混凝土優(yōu)化配合比試驗(yàn)

2.1 材料

試驗(yàn)中制備材料選用與多載體對(duì)比試驗(yàn)相同的巴氏芽孢桿菌菌種、P·O 42.5R普通硅酸鹽水泥、再生骨料、天然細(xì)骨料、普通細(xì)砂和城市自來(lái)水.

2.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)采用再生骨料作為微生物載體制備試件，選取載體粒徑、菌液濃度、載體占比及裂縫寬度4個(gè)因素設(shè)計(jì)正交試驗(yàn).設(shè)計(jì)選用正交表L15(51×33)以確保試驗(yàn)精度，其中每組2個(gè)試件并在每個(gè)試件裂縫上均勻取標(biāo)記點(diǎn)位，設(shè)計(jì)正交表如表4所示.其中再生粗骨料粒徑采用人工篩檢，裂縫寬度經(jīng)預(yù)置裂縫控制標(biāo)記.

表4 L15(51×33)正交設(shè)計(jì)表

2.3 試驗(yàn)組試件備制及預(yù)置裂縫

試驗(yàn)組采用與RC組試件相同配合比(除正交因素外)及尺寸.試件經(jīng)手工攪拌制備成型后，靜置48h脫模，并在相對(duì)濕度為(85±5)%，溫度為(22±2)℃的條件下養(yǎng)護(hù)7d；在養(yǎng)護(hù)6d時(shí)，試件涂刷膩?zhàn)右员阌诤笃谟^察標(biāo)記點(diǎn)，試件采用與多載體對(duì)比試驗(yàn)相同的三點(diǎn)法加載裂縫預(yù)置方式(見(jiàn)圖3)，其受拉側(cè)配有1根φ4 HPB235鋼筋，以防止加載過(guò)程中試件裂縫擴(kuò)大，導(dǎo)致脆性斷裂.

圖3 預(yù)制裂縫Fig.3 Prefabricated crack

2.4 試件標(biāo)記及養(yǎng)護(hù)方法

試件裂縫以受拉側(cè)面開(kāi)裂最大寬度為基準(zhǔn)，預(yù)置出正交裂縫寬度因素對(duì)應(yīng)的水平值(0.2、0.5、1.0mm)，經(jīng)150倍裂縫觀測(cè)儀記錄數(shù)據(jù)，并將每組試件以標(biāo)簽歸類.

相較于不同載體試驗(yàn)組的普通灑水養(yǎng)護(hù)條件而言，本試驗(yàn)采用水環(huán)境養(yǎng)護(hù)，以充分對(duì)比各因素影響特點(diǎn).水箱四角放置4只加熱控溫棒(水位浸沒(méi)加熱控溫棒)和6個(gè)保持相同間距的充氧頭，在25℃恒定水溫下不間斷充入空氣，其放置方式見(jiàn)圖4.

圖4 水養(yǎng)護(hù)方法Fig.4 Water curing method

2.5 試驗(yàn)結(jié)果及極差分析

正交表L15(51×33)試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表5.其中裂縫修復(fù)所用天數(shù)取每組試件標(biāo)記點(diǎn)修復(fù)天數(shù)的平均值(≤60d)；觀察期內(nèi)未完全修復(fù)的標(biāo)記點(diǎn)試件上同時(shí)間內(nèi)無(wú)其他等寬修復(fù)點(diǎn)位的情況下，采用假定勻速修復(fù)計(jì)算(式(4))裂縫修復(fù)所用時(shí)間，結(jié)果值有小數(shù)按整數(shù)加1d處理(>60d).

(4)

式中：Dr為裂縫修復(fù)所用天數(shù)，d；Di t為修復(fù)標(biāo)記點(diǎn)觀察記錄天數(shù)，d；di t為對(duì)應(yīng)觀察記錄天數(shù)對(duì)應(yīng)標(biāo)記點(diǎn)修復(fù)寬度，mm；d0為標(biāo)記點(diǎn)初始裂縫寬度，mm.

表5 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)結(jié)果

對(duì)表5的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行極差分析，得到各因素的最佳基體.其中k1、k2、k3、k4、k5分別表示再生骨料粒徑、菌液濃度、載體占比及裂縫寬度在設(shè)計(jì)水平值下對(duì)應(yīng)的裂縫修復(fù)所用天數(shù)值，如表6所示，其中R為極差.

表6 極差分析表

由表6得出，再生骨料粒徑極差R(載體粒徑值)=80，菌液濃度極差R(微生物用量)=135，載體占比極差R(載體體積占比)=132，裂縫寬度極差R(所需修復(fù)值)=153.極差值按大小排序?yàn)椋毫芽p寬度>菌液濃度>載體占比>再生骨料粒徑，其中裂縫寬度極差最大，表明裂縫寬度對(duì)自修復(fù)混凝土開(kāi)裂后裂縫的修復(fù)效能影響最為顯著.

另外，表6中各因素水平與k值間的關(guān)系表明，再生骨料載體自修復(fù)混凝土的最優(yōu)配合比為A1B3C2D1，即取各因素平均指標(biāo)最小時(shí)所對(duì)應(yīng)的水平值.此時(shí)，再生粗骨料粒徑為0～5mm，菌液濃度為40%，載體占比為30%，裂縫寬度為0.2mm.這表明在裂縫寬度為0.2mm時(shí)，再生骨料粒徑小于5mm、菌液濃度40%及載體占比30%的自修復(fù)混凝土，具備最佳的修復(fù)效能.

2.6 掃描電鏡及能譜分析

采用Quanta 600 FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)，對(duì)試驗(yàn)組修復(fù)28d試件裂縫斷面進(jìn)行微觀觀測(cè)分析.取樣方法沿試件裂縫兩側(cè)切取1cm×1cm×2cm掃描試樣，并用膠帶纏繞處理以防掃描斷面污染.觀測(cè)時(shí)沿裂縫處將試樣斷面朝上置于載物臺(tái)上并用導(dǎo)電膠帶粘貼，SEM及能譜(EDS)分析見(jiàn)圖5和表7.由圖5和表7可以看出：RC組大部分區(qū)域生成的碳酸鈣晶體顆粒尺寸相近且分布形態(tài)均勻，部分區(qū)域生成晶體產(chǎn)物顆粒較大且呈現(xiàn)不規(guī)則聚集物狀態(tài)，這表明修復(fù)產(chǎn)物圍繞載體周圍生成量多且更為質(zhì)密而在遠(yuǎn)離載體處生成量有所減少；相同樣品經(jīng)EDS能譜分析表明生成物成分基本一致，其沉淀物主要含有C、O、Ca元素，晶體產(chǎn)物包括絕大部分方解石狀態(tài)的碳酸鈣、少量水化硅酸鈣和Ca(OH)2.

圖5 RC試件電鏡掃描照片F(xiàn)ig.5 SEM photo of RC specimen

表7 修復(fù)產(chǎn)物EDS分析

3 結(jié)論

(1)不同載體試件的修復(fù)生成物主要為方解石形態(tài)的碳酸鈣.不同載體均可實(shí)現(xiàn)裂縫自主修復(fù)且生成產(chǎn)物單體質(zhì)量和總體數(shù)量?jī)?yōu)于無(wú)載體試件.

(2)有載體試件的自修復(fù)效能比無(wú)載體試件更好，其中再生骨料表現(xiàn)出較其他載體更好的早期修復(fù)響應(yīng)行為和修復(fù)效能.養(yǎng)護(hù)28d時(shí)有載體組的最大修復(fù)裂縫寬度可達(dá)0.27mm.

(3)裂縫寬度較其他影響因素對(duì)自修復(fù)效能影響最為顯著，且修復(fù)速率隨著裂縫寬度增加，表現(xiàn)出明顯的下降趨勢(shì).當(dāng)裂縫寬度達(dá)到1.0mm及以上時(shí)，水泥基自修復(fù)混凝土的修復(fù)效果十分有限.

(4)再生骨料粒徑為0～5mm，菌液濃度為40%，載體體積占比為30%時(shí)，對(duì)裂縫寬度0.2mm的混凝土修復(fù)效果最為顯著.