微生物修復(fù)混凝土裂縫的力學(xué)性能試驗研究

周 耀，王若琪，劉 斌，門 杰，李曉敏

(1.北京航空航天大學(xué) 交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京 102206；2.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；3.北京航空航天大學(xué) 空間與環(huán)境學(xué)院，北京 102206)

0 引言

混凝土裂縫嚴重影響結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐久性能，是混凝土結(jié)構(gòu)的一種常見病害，并伴隨有混凝土碳化[1-2]、鋼筋銹蝕[3-4]、凍融破壞[5-6]和滲漏溶蝕[7]等病害。混凝土裂縫常用的修復(fù)方法有灌水泥漿[8]或環(huán)氧樹脂[9]的堵漏法、表面封閉法[10]、FRP[11]或粘貼鋼板加固[12]等結(jié)構(gòu)加固方法，但是這些方法均有一定的適用范圍，存在一定的局限性。漢克·約克斯教授利用微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣(Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP)技術(shù)修復(fù)混凝土裂縫取得成功[13]。由于其沉積材料碳酸鈣與混凝土材料兼容性好、耐久性高，具備經(jīng)濟環(huán)保的特點[14]，得到廣泛關(guān)注。

抗壓強度和抗折強度是評價混凝土力學(xué)性能的兩個主要指標(biāo)。李沛豪[15]進行裂縫生物沉積修復(fù)后的混凝土試件抗壓和彎曲破壞試驗。經(jīng)過修復(fù)后的混凝土試件抗壓強度和三點彎曲跨中極限荷載均得到提高。周夢君[16]采用膨脹珍珠巖固載自修復(fù)劑好氧嗜堿微生物。試驗研究表明使用膨脹珍珠巖固載微生物后，混凝土裂縫的自修復(fù)能力得到有效提高。錢春香[17]采用一種能夠礦化生產(chǎn)碳酸鈣的固碳菌，將其與底物配制成自修復(fù)劑在水泥基成型階段直接加入到基體中，14 d后摻有微生物的水泥基材料的抗壓、抗折強度均提高。目前關(guān)于微生物裂縫修復(fù)的研究主要集中于自修復(fù)混凝土的研究，而對細小裂縫的修復(fù)研究較少。但細小裂縫不可避免地會有降低抗壓強度和抗折強度，這在工程應(yīng)用中不可忽視。于是對細小裂縫的修復(fù)及修復(fù)后效果評價的研究具有較大意義。本研究用不銹鋼插片制作裂縫，采用注射器滴加法修復(fù)裂縫，通過抗壓強度和抗折強度指標(biāo)評價修復(fù)后的效果。

1 微生物修復(fù)混凝土裂縫原理

微生物誘導(dǎo)沉積碳酸鈣發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)可以簡化為[18]：

(1)

Ca2++Cell→Cell-Ca2+，

(2)

(3)

2 礦化沉積試驗

配置培養(yǎng)基，高溫滅菌，放置在超凈工作臺冷卻至室溫，接種巴氏芽孢桿菌菌液，放置在生化培養(yǎng)箱中，恒溫培養(yǎng)24 h。分別配置0.5 mol/L的乙酸鈣溶液和硝酸鈣溶液，取(1)100 mL乙酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，分別將pH調(diào)節(jié)為8，9，10；(2)100 mL硝酸鈣溶液和100 mL菌液至錐形瓶中，調(diào)節(jié)pH至9.5；放置在生化培養(yǎng)箱中，恒溫培養(yǎng)。沉淀完成后，經(jīng)離心、干燥、稱重得碳酸鈣沉淀質(zhì)量，并通過XRD及SEM確定沉淀晶型及形貌。

礦化結(jié)果發(fā)現(xiàn)乙酸鈣作為鈣源時，沉淀速率顯著變緩，沉淀周期長且生成的碳酸鈣沉淀少，對比不同的pH條件發(fā)現(xiàn)，堿性環(huán)境更有利于沉淀的生成。當(dāng)以硝酸鈣作為鈣源時，混合后很快形成沉淀，溶液迅速變渾濁，肉眼可以觀察到沉淀的生成，溶液中的鈣離子幾乎100%轉(zhuǎn)化為沉淀，沉淀過程24 h可進行80%，48 h即可接近100%。對比兩種鈣源發(fā)現(xiàn)，硝酸鈣為鈣源時沉積速率更快，Ca2+利用率更高，達95%以上，而乙酸鈣為鈣源時，Ca2+利用率顯著降低，不到70%(見圖1)，且混凝土裂縫微環(huán)境中pH約為9.5，在此條件下，硝酸鈣沉淀情況良好，因此后續(xù)試驗選用硝酸鈣作為鈣源。

圖1 乙酸鈣和硝酸鈣作為鈣源時的沉淀率

對生成的碳酸鈣沉淀進行XRD測定和SEM觀察，從沉淀形貌來看，生成的碳酸鈣主要呈塊狀及球形，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。對沉淀成分進行分析發(fā)現(xiàn)，生成的碳酸鈣沉淀主要為方解石，同時也含有少量球霰石(見圖2)。

圖2 利用巴氏芽孢桿菌沉積得到的碳酸鈣的XRD圖

3 裂縫修復(fù)力學(xué)性能試驗

試驗用混凝土按照強度等級為 C30 進行制作，其材料配合比為水∶水泥∶砂子∶碎石=0.43∶1∶ 1.25∶2.91。對于帶裂縫的混凝土而言，抗壓強度和抗折強度不可避免地會有降低，為了評價修復(fù)效果，進行了完好混凝土、帶裂縫混凝土,以及修復(fù)混凝土的對比試驗?？箟簭姸群涂拐蹚姸仍囼瀰⒄諊覙?biāo)準《普通混凝土力學(xué)性能試驗方法標(biāo)準》(GB/T 50081—2002)進行。

3.1 裂縫修復(fù)混凝土抗壓強度試驗

制作混凝土裂縫寬度0.5 mm，長度50 mm，深度10 mm和20 mm的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方體試件12個?；炷亮⒎襟w試件如表1所示?；炷亮⒎襟w試件其中6個完好試件分別測成型7 d和28 d混凝土抗壓強度。另外12個試件，每組平行試件3個，研究不同裂縫深度對修復(fù)效果的影響。其中3個裂縫深度10 mm，裂縫寬度0.5 mm試件，3個裂縫深度20 mm，裂縫寬度0.5 mm試件不修復(fù)，用于對比裂縫修復(fù)前后混凝土抗壓強度變化。

表1 抗壓強度試驗試件制備

為了減少菌液和硝酸鈣溶液損耗，混凝土裂縫四周涂有一圈玻璃膠。在試驗過程中連續(xù)均勻地加荷，加荷取0.5 MPa/s。3個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強度值，精確至0.1 MPa。試驗值乘以修正系數(shù)0.95作為混凝土抗壓強度值。加載時，裂縫位于側(cè)面，水平放置。

對于帶裂縫的混凝土立方體試件，混凝土抗壓強度隨深度增加而減低。生物沉積修復(fù)后，抗壓強度均提高，提高幅度隨裂縫深度的增加而增大，裂縫深度10 mm和20 mm分別提高為2.2%和8.0%,如表2所示。修復(fù)后的混凝土抗壓強度低于完好混凝土強度。

表2 裂縫修復(fù)前后混凝土抗壓強度

3.2 裂縫修復(fù)混凝土抗折強度試驗研究

制作混凝土裂縫寬度0.5 mm，長度50 mm，深度20 mm的150 mm×150 mm×550 mm混凝土棱柱體試件6個，人工裂縫位于試件中央，與短邊平行；完好試件3個，混凝土棱柱體試件如表3所示。每組平行試件3個，其中3個裂縫深度20 mm，裂縫寬度0.5 mm試件不修復(fù)，研究混凝土修復(fù)前后以及未開裂時抗折強度的變化。

表3 抗折強度試驗試件制備

在試驗過程中連續(xù)均勻地加荷，加荷速率取0.05 MPa/s。3個試件測值的算術(shù)平均值作為該組試件的強度值精確至0.1 MPa。裂縫所在面位于于梁下表面。兩個加載點間距150 mm，兩個支座間距450 mm。

利用巴氏芽孢桿菌溶液和硝酸鈣溶液修復(fù)混凝土裂縫取得良好效果。裂縫深度20 mm的混凝土裂縫修復(fù)后抗折強度提高5.9%,如表4所示。但是修復(fù)后的混凝土抗壓強度和抗折強度均低于完好混凝土強度。

表4 裂縫修復(fù)前后混凝土抗折強度

4 結(jié)論

(1)乙酸鈣作為鈣源時，沉淀周期長且生成的碳酸鈣沉淀少，堿性環(huán)境更有利于沉淀的生成。當(dāng)以硝酸鈣作為鈣源時，混合后很快形成沉淀，生成的碳酸鈣沉淀主要為方解石，同時也含有少量球霰石。

(2)利用巴氏芽孢桿菌溶液和硝酸鈣溶液修復(fù)混凝土裂縫取得良好效果。裂縫深度10 mm和20 mm的混凝土試塊裂縫修復(fù)后抗壓強度分別提高為2.2%和8.0%，裂縫深度20 mm的混凝土試塊裂縫修復(fù)后抗折強度提高5.9%。但是修復(fù)后的混凝土抗壓強度和抗折強度均低于完好混凝土強度。