微生物修復(fù)混凝土裂縫的滲透試驗研究

王保生，周耀，王若琪，劉斌，李曉敏

（1.山西交通控股集團有限公司 大同南高速公路分公司，山西 大同 037400；2.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；3.北京航空航天大學(xué) 空間與環(huán)境學(xué)院，北京 102206）

混凝土廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、隧道等領(lǐng)域，其裂縫是混凝土結(jié)構(gòu)最普遍、最常見的病害之一，并伴隨有鋼筋銹蝕、混凝土碳化、滲漏溶蝕和凍融破壞等病害，嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的工作性能和耐久性能。傳統(tǒng)的混凝土裂縫處理方法主要有表面封閉法[1]、堵漏法[2-3]（灌注水泥漿或環(huán)氧樹脂）和結(jié)構(gòu)補強加固法[4-5]（FRP或粘貼鋼板加固）等方法，但各自都存在一定的局限性。代爾夫特理工大學(xué)微生物教授漢克·約克斯發(fā)明了利用微生物自動愈合混凝土的方法[6]。這種新型的混凝土裂縫微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技術(shù)，其沉積材料為碳酸鈣，具有生態(tài)友好、與混凝土材料兼容性好、碳酸鈣本身不易降解、耐久性高等特點，具備能耗低、綠色環(huán)保、施工簡便的特點，得到廣泛關(guān)注。

混凝土裂縫的滲透性是能直觀表征修復(fù)效果的一個指標。練繼建等[7]通過試驗研究了環(huán)境堿度對細菌生長和微生物礦化的影響，并使用注射和漫灌膠結(jié)液的方式修復(fù)具有不同表觀形狀裂縫的混凝土，修復(fù)后混凝土的滲透性大大降低。王文花等[8]采用膨脹珍珠巖固載自修復(fù)劑好氧嗜堿微生物，研制了一種新型裂縫自修復(fù)混凝土，膨脹珍珠巖固載微生物可以有效提高混凝土的裂縫自修復(fù)能力，在修復(fù)養(yǎng)護28 d后，其裂縫最大修復(fù)寬度達0.72 mm。微生物礦化能夠顯著提高混凝土抗?jié)B水能力，經(jīng)修復(fù)養(yǎng)護14 d后，滲水系數(shù)降低幅度達97.8%。賈強等[9]研究了不同裂縫寬度、深度、縫內(nèi)是否填充介質(zhì)和不同鈣源溶液等參數(shù)對修復(fù)后裂縫的抗?jié)B承壓能力的影響。結(jié)果表明，在不同縫寬條件下，裂縫寬度越小，越有利于裂縫內(nèi)壁對碳酸鈣晶體的“捕捉”，修復(fù)混凝土裂縫的灌漿次數(shù)越少；在不同縫深條件下，碳酸鈣晶體流經(jīng)裂縫的距離和時間越長，增加了其在混凝土裂縫內(nèi)架橋和沉積的幾率，因此裂縫深度越大，封堵速度越快。

目前關(guān)于微生物裂縫修復(fù)主要集中于自修復(fù)混凝土的研究，而對細小裂縫的修復(fù)研究較少。但細小裂縫往往會造成滲水現(xiàn)象，這在工程應(yīng)用中不可忽視。因此，對細小裂縫的修復(fù)及修復(fù)后效果評價的研究具有較大的意義。本文用不銹鋼插片和試驗機壓裂試件制作裂縫，采用吊針滴加法修復(fù)裂縫，通過滲透性指標評價修復(fù)后的效果。

1 微生物修復(fù)混凝土裂縫原理

MICP技術(shù)是一種新型修復(fù)技術(shù)，其利用一類能夠產(chǎn)生脲酶的細菌在生長過程中產(chǎn)生的脲酶，將添加的尿素水解為CO32-和NH4+，然后CO32-與周圍溶液中的Ca2+反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀，以填補混凝土裂縫，從而達到修復(fù)的目的。微生物在有利的條件下，可以在混凝土表層不斷生成新的高不透水性方解石層。除了能夠不斷地自己生長外，在水中也很難溶解，能抵御有害物質(zhì)的滲透，從而降低對混凝土結(jié)構(gòu)的不利影響。

微生物產(chǎn)生的碳酸鈣沉積中發(fā)生的復(fù)雜化學(xué)反應(yīng)[10]可以簡化為：

2 菌種選擇

通過文獻調(diào)研及預(yù)試驗，選擇巴氏芽孢桿菌與科氏芽孢桿菌2種菌種。菌種經(jīng)固體培養(yǎng)基活化、液體培養(yǎng)基活化及擴大培養(yǎng)。2種菌種培養(yǎng)基不同，生長狀況也有較大區(qū)別?？梢园l(fā)現(xiàn)，巴氏芽孢桿菌的培養(yǎng)液很快變渾濁，即微生物生長增殖明顯，而科氏芽孢桿菌的培養(yǎng)液在數(shù)日后依然澄清。因此，巴氏芽孢桿菌生長更迅速，可在24 h后到達生長平臺期，轉(zhuǎn)接培養(yǎng)較為容易，對操作熟練程度要求較低。科氏芽孢桿菌生長周期為數(shù)十天，生長緩慢。

3 礦化沉積試驗

比較硝酸鈣溶液及等量硝酸鈣固體為鈣源的沉積過程。首先配制0.5 mol/L硝酸鈣溶液，取100 mL硝酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值至9.5；對比試驗為200 mL菌液與11.8075 g硝酸鈣固體加入錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH值至9.5。在恒溫條件下進行礦化試驗，在0、6、18、24 h時取錐形瓶中上層清液，離心，用稀硝酸稀釋至5～10倍，用原子吸收光譜儀測試上層清液中的Ca2+濃度。當(dāng)上層清液中Ca2+濃度降至檢測限時，稱量離心管質(zhì)量，把錐形瓶中的溶液和沉淀全部轉(zhuǎn)移至離心管中，離心、沉淀，放入60℃烘箱中烘干24 h，稱量沉淀質(zhì)量（均在5 g左右，Ca2+全部沉淀）。杯壁中的沉淀用過量鹽酸沖洗，NaOH溶液回滴過量的HCl溶液，得出杯壁碳酸鈣的質(zhì)量。通過Ca2+濃度變化確定碳酸鈣沉積所需時間。并通過XRD及SEM確定沉淀晶型及形貌，考察以固體或溶液作為鈣源時的礦化過程。

試驗中發(fā)現(xiàn)，溶液中可以很快形成沉淀，迅速變渾濁，肉眼可以觀察到沉淀的生成。結(jié)果表明，溶液中的Ca2+幾乎100%轉(zhuǎn)化為沉淀，沉淀24 h時可進行80%，48 h時即可接近100%。其它條件，如Ca2+濃度、固體鈣源、液體鈣源對沉淀過程不產(chǎn)生顯著影響。對沉淀物進行SEM和XRD分析，結(jié)果見圖1～圖3。圖3中固1、固2以固體硝酸鈣為鈣源，沉1、沉2以硝酸鈣溶液為鈣源。

由圖1～圖3可見，球形球霰石和方形方解石晶體均有生成。在晶體表面可觀察到明顯的菌體附著，證實了生物礦化作用的存在。從沉淀形貌來看，固體硝酸鈣或硝酸鈣溶液為鈣源均能生成方解石及球霰石晶型。

圖1 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的SEM照片

圖3 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的XRD圖譜

圖2 碳酸鈣表面菌體附著的SEM照片

4 滲透試驗裝置設(shè)計

滲水試驗是為了測試經(jīng)修復(fù)養(yǎng)護后的試塊裂縫處的抗?jié)B水性能，而非試塊整體的抗?jié)B性能，因此，結(jié)合試驗設(shè)計的試塊尺寸，自行設(shè)計了易于操作的混凝土裂縫抗?jié)B性測試裝置，裝置設(shè)計示意如圖4所示。裝置由有機玻璃制作而成，主要由蓄水室、試件安裝室以及集水裝置3部分組成。試件安裝室上部開口尺寸為102 mm×102 mm，方便放置待修復(fù)的混凝土試件；試件安裝室下部開口尺寸為60 mm×60 mm，方便水流滲出。四角由4根有機玻璃支座支撐整個裝置。裝置底部放置漏斗和集水杯用于收取流出液，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，將混凝土與容器之間的縫隙用玻璃膠密封。

圖4 滲透試驗裝置示意

5 裂縫修復(fù)滲透試驗

為了評估混凝土裂縫修復(fù)后的滲透性能，按式（4）計算滲透系數(shù)k：

式中：V——試驗用水量，mL；

l——試件裂縫長度，cm；

w——試件裂縫寬度，cm；

t——試驗用水流完所需時間，s。

試驗采用C30混凝土，其材料配合比為：m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.25∶2.91∶0.43。滲透試驗澆筑100 mm×100 mm×40 mm混凝土試件12個，其中6個混凝土塊裂縫采用0.38 mm厚鋼板插拔法制作，裂縫長50 mm，沿混凝土塊厚度方向貫通（見圖5）。另外6個混凝土塊裂縫即在壓力試驗機上從試件中部劈裂試件，然后用膠布固定試件，將試件放置于滲透試驗裝置內(nèi)，然后用玻璃膠密封混凝土與滲透試驗裝置上部四周（見圖6）。安裝完畢后的滲透試驗裝置如圖7所示。

圖5 人工插片制作裂縫滲透試驗試件

圖6 試驗機制作裂縫滲透試驗試件

圖7 滲透試驗裝置

人工插片制作裂縫滲透試件沿裂縫長度方向用玻璃膠進行密封，以防止試驗初期菌液以及礦化形成的碳酸鈣流失。試驗水柱高100 mm，先測試試件裂縫未修復(fù)前水柱流完所需時間。然后對裂縫進行修復(fù)，修復(fù)方法采用吊針滴加菌液和硝酸鈣溶液，如圖8所示。試件p1-1、p1-2、p1-3和試驗機制作裂縫試件每次菌液和硝酸鈣各滴加30 mL，上午和下午各修復(fù)1次，每次約1 h完成，修復(fù)2 d。p1-4、p1-5、p1-6每次菌液和硝酸鈣各滴加30 mL，上午和下午各修復(fù)1次，每次約0.5 h完成，修復(fù)2 d。修復(fù)前后對比如圖9、圖10所示。從外觀看，裂縫均能被沉淀物碳酸鈣填滿。

圖8 吊針滴加法修復(fù)混凝土裂縫

圖9 人工插片制作裂縫修復(fù)

圖10 試驗機制作裂縫修復(fù)

人工插片及試驗機制作裂縫試件修復(fù)前后水柱流完所需時間分別如表1、表2所示。

表1 人工插片制作裂縫試件修復(fù)前后水柱流完所需時間

表2 試驗機制作試件修復(fù)前后水柱流完所需時間

由表1可見，試件滲透系數(shù)提高34.3～249.8倍，修復(fù)后混凝土的抗?jié)B性能明顯提高。試件p1-1、p1-2、p1-3相比于試件p1-4、p1-5、p1-6修復(fù)速度慢，滲透系數(shù)提高倍數(shù)高。

由表2可見，試件A的滲透系數(shù)提高了22.5倍，其余試件滲透系數(shù)提高均在100倍以上。修復(fù)后混凝土的抗?jié)B性能顯著提高。

6 結(jié)論

（1）巴氏芽孢桿菌生長迅速，轉(zhuǎn)接培養(yǎng)較為容易，對操作熟練程度要求較低。因此巴氏芽孢桿菌比科氏芽孢桿菌更適合作為修復(fù)混凝土裂縫試驗菌種。

（2）固體鈣源、液體鈣源對沉淀過程不產(chǎn)生顯著影響。從沉淀形貌來看，固體硝酸鈣或硝酸鈣溶液為鈣源均能生成方解石及球霰石晶型。

（3）混凝土裂縫修復(fù)后，試件滲透系數(shù)離散性較大，但是滲透系數(shù)均有較大提高。表明生物修復(fù)混凝土裂縫后的抗?jié)B性能明顯提高，但與完好的混凝土差距較大。裂縫修復(fù)速度降低，有利于裂縫填充物密實度提高，最終提高結(jié)構(gòu)的抗?jié)B性能。