基于混菌礦化增強(qiáng)粗骨料的再生混凝土裂縫自修復(fù)性能

范月東，王玉珍，許順順，孟慶玲，張家廣

(太原理工大學(xué)土木工程學(xué)院，太原 030024)

0 引 言

既有建筑物拆除過(guò)程中產(chǎn)生大量的建筑垃圾，如果得不到有效處理會(huì)對(duì)環(huán)境產(chǎn)生較大的不利影響，同時(shí)也會(huì)造成嚴(yán)重的資源浪費(fèi)。將建筑固廢中的廢棄混凝土和磚等破碎加工形成再生骨料，用于制備再生混凝土，既能解決天然砂石資源短缺問(wèn)題，又能有效解決建筑垃圾堆放和污染問(wèn)題，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1]。然而，再生骨料表面附著一些舊水泥砂漿，并且在破碎生產(chǎn)過(guò)程中由于損傷積累再生骨料表面和內(nèi)部存在大量的裂紋，與天然骨料相比，再生骨料具有密度小、吸水率高、界面黏結(jié)力差等缺點(diǎn)，致使再生混凝土的工作性和力學(xué)性能顯著低于普通混凝土。此外，再生混凝土在服役工程中更容易發(fā)生開裂，致使某些侵蝕性離子滲入，造成混凝土結(jié)構(gòu)耐久性顯著降低。因此，再生混凝土服役過(guò)程中的開裂問(wèn)題亟待解決。微生物礦化(microbially induced carbonate precipitation, MICP)利用自然界一些礦化微生物所具有的誘導(dǎo)碳酸鈣沉積功能，沉淀物耐久性能良好且易附著膠結(jié)于砂漿和粗骨料表面，可以有效填充或黏結(jié)具有滲透性的有孔介質(zhì)，從而實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化再生骨料以及修復(fù)混凝土裂縫等目的[2-3]。研究表明，當(dāng)采用MICP方法制備裂縫自修復(fù)混凝土?xí)r，需要選擇一種合適的載體，以保護(hù)微生物免受混凝土高堿環(huán)境的侵害，并為微生物提供足夠的生存空間。多孔狀輕質(zhì)物質(zhì)和微膠囊作為微生物載體成為學(xué)者的主要關(guān)注對(duì)象。Zhang等[3]、李珠等[4]采用膨脹珍珠巖固載科式芽孢桿菌制備裂縫自修復(fù)混凝土，經(jīng)28 d修復(fù)養(yǎng)護(hù)后最大修復(fù)裂縫寬度可達(dá)0.56 mm。Wang等[5]考察了微膠囊固載球形芽孢桿菌的裂縫自修復(fù)效果，經(jīng)56 d水中浸泡修復(fù)養(yǎng)護(hù)后有菌混凝土試件修復(fù)的最大裂縫寬度達(dá)0.97 mm。由于再生骨料表面多孔，近年來(lái)學(xué)者開始關(guān)注將其作為微生物載體制備裂縫自修復(fù)混凝土。劉超等[6]采用再生骨料固載巴氏芽孢桿菌制備裂縫自修復(fù)混凝土，經(jīng)28 d修復(fù)養(yǎng)護(hù)后最大修復(fù)裂縫寬度可達(dá)0.27 mm。Liu等[7]利用再生骨料固載巴氏芽孢桿菌，當(dāng)裂縫寬度在0.3 mm時(shí)養(yǎng)護(hù)28 d的裂縫平均愈合率可達(dá)90.3%。張為民等[8]以再生骨料固載微生物，研究發(fā)現(xiàn)隨著再生骨料取代率和芽孢桿菌濃度的升高，再生混凝土裂縫修復(fù)效率大于普通混凝土。

盡管再生骨料可以作為微生物的良好載體，但再生骨料缺陷會(huì)不可避免地降低混凝土的工作性和力學(xué)性能。為了提高再生骨料的物理力學(xué)性能，學(xué)者也開始關(guān)注采用MICP方法修復(fù)再生骨料缺陷。Wang等[9]采用球形芽孢桿菌對(duì)兩種類型再生骨料進(jìn)行增強(qiáng)處理，結(jié)果表明,再生骨料的質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)2.5%，吸水率降低幅度達(dá)到20%。Qiu等[10]和郝小虎等[11]采用巴氏芽孢桿菌對(duì)再生骨料進(jìn)行增強(qiáng)處理，結(jié)果表明經(jīng)過(guò)MICP處理的再生骨料物理力學(xué)性能明顯提高。上述基于MICP的裂縫自修復(fù)混凝土和再生骨料強(qiáng)化研究主要采用單一類型的微生物(純菌)，純菌礦化過(guò)程需要適宜的環(huán)境條件，抵御環(huán)境變化的魯棒性可能不足，并且純菌培養(yǎng)需要嚴(yán)格的無(wú)菌環(huán)境，其培養(yǎng)費(fèi)用較高。與純菌相比，多種礦化微生物組成的微生物群(混菌)對(duì)環(huán)境條件有更好的適應(yīng)能力，其礦化效率更高，培養(yǎng)費(fèi)用僅為純菌的1/3左右[12-13]。Zhang等[13]考察了膨脹珍珠巖固載混菌在裂縫自修復(fù)混凝土的有效性，經(jīng)28 d修復(fù)養(yǎng)護(hù)后最大修復(fù)裂縫寬度可達(dá)1.22 mm。

為了有效解決再生骨料缺陷對(duì)基于MICP的裂縫自修復(fù)混凝土工作性和力學(xué)性能的不利影響，提出一種基于混菌礦化增強(qiáng)粗骨料的裂縫自修復(fù)再生混凝土制備方法，即首先采用混菌礦化對(duì)再生骨料增強(qiáng)處理一定時(shí)間，然后采用已固載混菌的再生骨料制備自修復(fù)混凝土，以確保該再生混凝土既具有足夠的工作性和力學(xué)性能又具備良好的裂縫自修復(fù)性能。對(duì)礦化增強(qiáng)處理的再生粗骨料物理力學(xué)性能和再生混凝土裂縫自修復(fù)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，以驗(yàn)證提出方法的有效性。該成果可為建筑垃圾資源化利用和基于MICP的裂縫自修復(fù)混凝土研究提供參考。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 微生物選用與培養(yǎng)

以山西省晉中市污水處理廠活性污泥花園土壤為微生物源，在好氧條件下，以不同底物為碳源，篩選出具有優(yōu)異礦化沉積能力的微生物群落。經(jīng)過(guò)對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，以乳酸為碳源篩選的好氧嗜堿混菌合成碳酸鹽的能力最強(qiáng)。因此，選取以乳酸為碳源篩選的好氧嗜堿混菌。好氧嗜堿混菌的富集方法為：150 mL的錐形瓶中分別加入10 mL污泥混合液和100 mL好氧型選擇培養(yǎng)液，用Na3PO4調(diào)節(jié)pH值至11.0，用耐高溫組培封口膜覆蓋瓶口，在33 ℃恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)2 d；然后將上清液去除，取下底部的污泥混合溶液在相同操作下進(jìn)行連續(xù)傳代富集，每隔2 d重復(fù)上述操作，直至篩選出目標(biāo)菌群。

為了比較采用混菌與純菌的混凝土裂縫修復(fù)效率，采用科式芽孢桿菌作為純菌，科式芽孢桿菌和混菌的微觀形貌如圖1所示。科氏芽孢桿菌為購(gòu)買自北京百歐博偉生物技術(shù)有限公司的凍干粉，按照好氧型微生物的常規(guī)接種和培養(yǎng)方法，利用液體培養(yǎng)基對(duì)芽孢桿菌進(jìn)行大量培養(yǎng)。

1.2 原材料與試驗(yàn)設(shè)計(jì)

再生混凝土采用連續(xù)級(jí)配粒徑為5～20 mm的再生骨料，其表觀密度為2 576 kg/m3，吸水率為7.4%，壓碎指標(biāo)為16%。水泥為購(gòu)買自太原獅頭水泥廠的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥，砂為山西某廠的河砂，減水劑采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.8%的聚羧酸減水劑。

混菌礦化增強(qiáng)再生骨料方法為：首先將再生骨料真空吸附好氧嗜堿混菌20 min，然后將部分混菌與營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)混合溶液對(duì)骨料進(jìn)行浸泡增強(qiáng)。營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)為質(zhì)量濃度65 g/L的乳酸鈣溶液，采用2 mol/L的NaOH溶液將pH值調(diào)節(jié)為7.0，并且向浸泡溶液中及時(shí)泵入氧氣以保持恒定的溶解氧濃度。

為了考察基于混菌礦化增強(qiáng)粗骨料的再生混凝土裂縫自修復(fù)能力，設(shè)計(jì)5個(gè)混凝土測(cè)試組，配合比設(shè)計(jì)如表1所示。其中：NAC組為對(duì)照組，不摻入微生物和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)；ERAC-M組所用粗骨料為經(jīng)混菌礦化增強(qiáng)5 d的再生骨料，混凝土拌和用水采用混菌礦化增強(qiáng)后殘余的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶液；URAC-M組所用再生粗骨料不進(jìn)行礦化增強(qiáng)，直接作為混菌載體，將其真空吸附混菌20 min；URAC-CM組所用粗骨料不做任何處理，采用陶粒作為混菌載體，陶粒真空吸附混菌20 min；URAC-P組所用再生粗骨料僅作為載體不進(jìn)行礦化增強(qiáng)，真空吸附科氏芽孢桿菌20 min?；炷猎嚰?jīng)拌和、成型后靜置24 h，脫模后標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d。試驗(yàn)所采用的混凝土試件為直徑100 mm、高度50 mm的圓餅體。

表1 再生混凝土配合比Table 1 Mix proportion of recycled concrete

1.3 試驗(yàn)方法

再生粗骨料經(jīng)過(guò)混菌礦化增強(qiáng)處理后，分別測(cè)試其質(zhì)量增長(zhǎng)率、表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)。再生粗骨料吸水率測(cè)試過(guò)程為：取2 kg試樣放入水中，浸泡24 h后取出，測(cè)出飽和面干質(zhì)量以及105 ℃烘干后的恒重質(zhì)量。再生粗骨料表觀密度測(cè)試采用廣口瓶法，首先測(cè)出試樣、水、瓶和玻璃片的總質(zhì)量，然后測(cè)出試樣105 ℃烘干后恒重質(zhì)量以及水、瓶和玻璃片的總質(zhì)量。再生粗骨料壓碎指標(biāo)測(cè)試過(guò)程為：再生粗骨料風(fēng)干后篩除大于19.00 mm及小于4.75 mm的顆粒，并去除針片狀顆粒，稱取3 kg試樣，利用壓力試驗(yàn)機(jī)按1 kN/s的速度均勻加載至200 kN，并穩(wěn)荷5 s然后卸荷，取出試樣，用2.36 mm的篩子進(jìn)行篩選，測(cè)出留在篩子上試樣的質(zhì)量。上述性能指標(biāo)測(cè)試完畢后，按照《建筑用卵石、碎石》(GB/T 14685—2011)方法分別計(jì)算再生粗骨料的質(zhì)量增長(zhǎng)率、表觀密度、吸水率和壓碎指標(biāo)。

參考《混凝土物理力學(xué)性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 50081—2019)的混凝土劈拉試驗(yàn)方法，利用200 T壓力試驗(yàn)機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 d后的混凝土試件加載制造預(yù)期寬度的裂縫，并設(shè)置裂縫寬度觀測(cè)點(diǎn)。將標(biāo)記完畢的混凝土試件放入水中養(yǎng)護(hù)，分別修復(fù)養(yǎng)護(hù)0 d、14 d、28 d和56 d后，對(duì)觀測(cè)點(diǎn)進(jìn)行裂縫寬度測(cè)量。裂縫觀測(cè)點(diǎn)處的裂縫修復(fù)率按照公式(1)計(jì)算。

(1)

式中：H為裂縫修復(fù)率，%；d0為觀測(cè)點(diǎn)初始的裂縫寬度值，mm；dt為養(yǎng)護(hù)t時(shí)間后觀測(cè)點(diǎn)的裂縫寬度值，mm。

為了表征各測(cè)試組混凝土裂縫完全修復(fù)情況，采用公式(2)計(jì)算混凝土裂縫完全修復(fù)率。

(2)

式中：σ為裂縫完全修復(fù)率，%；ns為完全修復(fù)的裂縫條數(shù)；N為混凝土試塊的裂縫總條數(shù)。

再生骨料經(jīng)混菌礦化增強(qiáng)和混凝土裂縫水中修復(fù)養(yǎng)護(hù)后，分別對(duì)再生骨料表面和混凝土裂縫部位礦化沉淀物的微觀形貌進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)分析，SEM分析儀器采用日本電子生產(chǎn)的JSM-7100F型掃描電子顯微鏡。再生混凝土裂縫水中修復(fù)養(yǎng)護(hù)后，取出裂縫部位礦化沉淀物，將其研磨成粉末，然后進(jìn)行X 射線衍射(XRD)分析，XRD分析儀器采用丹東浩元儀器有限公司生產(chǎn)的DX-2700型X射線衍射儀。

2 結(jié)果與討論

2.1 混菌礦化增強(qiáng)再生骨料物理力學(xué)性能

圖2為不同混菌礦化增強(qiáng)時(shí)間對(duì)再生骨料物理力學(xué)性能的影響。從圖2(a)中可以看出：隨著礦化增強(qiáng)時(shí)間的延長(zhǎng)，再生骨料的質(zhì)量增長(zhǎng)率和表觀密度逐漸提高；經(jīng)過(guò)15 d礦化增強(qiáng)后，再生骨料的質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)到2.5%，表觀密度達(dá)到2 641 kg/m3，與未增強(qiáng)再生骨料相比提高了2.52%。從圖中還可以看出，在最初5 d增強(qiáng)時(shí)間內(nèi)，質(zhì)量增長(zhǎng)率和表觀密度提升明顯，5 d之后提升速度放緩。從圖2(b)中可以看出，隨著礦化增強(qiáng)時(shí)間的延長(zhǎng)，再生骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)不斷降低，當(dāng)增強(qiáng)時(shí)間達(dá)到15 d時(shí)，再生骨料的吸水率和壓碎指標(biāo)達(dá)到最低值，分別為4.1%和11.2%，與未增強(qiáng)再生骨料相比降低幅度分別達(dá)到44.6%和30.0%。同時(shí)，在最初5 d增強(qiáng)時(shí)間內(nèi)，吸水率和壓碎指標(biāo)降低比較明顯，5 d之后降低速度放緩。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，延長(zhǎng)混菌礦化增強(qiáng)時(shí)間能夠有效提高再生骨料物理力學(xué)性能，并且在最初5 d增強(qiáng)時(shí)間內(nèi)物理力學(xué)性能提升較為明顯。隨著增強(qiáng)時(shí)間的延長(zhǎng)，混菌礦化逐漸修復(fù)骨料表面缺陷，為了兼顧再生骨料作為微生物載體功能，故將制備再生混凝土的再生骨料增強(qiáng)時(shí)間定為5 d。

圖2 增強(qiáng)時(shí)間對(duì)再生骨料物理力學(xué)性能的影響Fig.2 Effect of enhanced time on physical and mechanical properties of recycled aggregate

2.2 混凝土裂縫部位表觀分析

圖3為水中修復(fù)養(yǎng)護(hù)28 d前后各測(cè)試組再生混凝土的裂縫表觀圖。從圖中可以看出：未摻入微生物的NAC對(duì)照組的裂縫表面僅部分修復(fù)，其修復(fù)效果較差；摻入微生物的4組混凝土的裂縫修復(fù)效果均較好，經(jīng)過(guò)28 d修復(fù)養(yǎng)護(hù)后，裂縫部位基本上都被礦化沉淀物所填充，并且與純菌相比，混菌礦化在裂縫部位沉淀物更加飽滿，在沉淀表面呈現(xiàn)出凸起現(xiàn)象；以再生骨料為微生物載體呈現(xiàn)出比陶粒更加良好的裂縫修復(fù)能力，URAC-M組的裂縫修復(fù)寬度可達(dá)到0.53 mm。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，在混凝土裂縫部位好氧嗜堿混菌比純菌呈現(xiàn)出更高的礦化沉積能力，并且采用增強(qiáng)后的再生粗骨料為載體制備出的再生混凝土能夠呈現(xiàn)出較好的裂縫修復(fù)能力。

圖3 水中修復(fù)養(yǎng)護(hù)28 d前后混凝土的裂縫表觀圖Fig.3 Microscopic images of concrete before and after 28 d of crack-healing in water

2.3 混凝土裂縫自修復(fù)效果量化分析

圖4為修復(fù)養(yǎng)護(hù)14 d和28 d后不同測(cè)試組混凝土裂縫修復(fù)率。從圖4(a)中可以看出:NAC對(duì)照組的裂縫修復(fù)寬度集中在0.25 mm以下，當(dāng)裂縫寬度超過(guò)0.25 mm時(shí)，其裂縫修復(fù)率大部分位于50%以下；URAC-M組和URAC-P組試件完全修復(fù)的裂縫占總裂縫數(shù)比例均為40%左右，而裂縫修復(fù)率達(dá)到50%以上的裂縫分別占其總裂縫數(shù)的71.0%和64.5%；ERAC-M組和URAC-CM組的裂縫修復(fù)率達(dá)到50%以上的裂縫分別占其總裂縫數(shù)的45.0%和46.0%。

從圖4(b)中可以看出：與養(yǎng)護(hù)14 d的裂縫修復(fù)效果對(duì)比，28 d時(shí)NAC組和URAC-CM組裂縫修復(fù)效果提高幅度很??；ERAC-M組的裂縫修復(fù)效果則明顯提高，裂縫修復(fù)率達(dá)到50%以上的裂縫占其總裂縫數(shù)的比例提高至67.8%；URAC-M組和URAC-P組的裂縫修復(fù)效果也得到進(jìn)一步提高，裂縫修復(fù)率達(dá)到50%以上的裂縫占其總裂縫數(shù)的比例分別提高至80.0%和73.3%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，基于微生物礦化的再生混凝土裂縫修復(fù)能力逐漸提高，經(jīng)28 d修復(fù)養(yǎng)護(hù)再生混凝土大部分裂縫部位能夠被修復(fù)，并且采用混菌比純菌呈現(xiàn)出更好的裂縫修復(fù)效果。

圖4 各測(cè)試組混凝土的裂縫修復(fù)率比較Fig.4 Comparison of crack-healing rate of concrete specimens

圖5為修復(fù)養(yǎng)護(hù)28 d后各測(cè)試組混凝土的最大修復(fù)裂縫寬度和平均修復(fù)裂縫寬度。從圖中可以看出:NAC對(duì)照組的裂縫修復(fù)寬度較小，平均修復(fù)裂縫寬度僅為0.18 mm，而基于微生物礦化的再生混凝土測(cè)試組的平均修復(fù)寬度均在0.30 mm以上；URAC-M組的最大修復(fù)裂縫寬度為0.57 mm，是URAC-P組(0.43 mm)的1.33倍，混菌比純菌呈現(xiàn)出更強(qiáng)的寬裂縫修復(fù)能力；ERAC-M組和URAC-CM組的最大修復(fù)裂縫寬度分別為0.47 mm和0.48 mm，平均修復(fù)裂縫寬度分別為和0.33 mm和0.34 mm，兩個(gè)測(cè)試組呈現(xiàn)出非常接近的裂縫修復(fù)能力。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，各測(cè)試組中，直接采用再生粗骨料作為混菌載體的再生混凝土呈現(xiàn)出最高的裂縫自修復(fù)能力，并且與直接采用再生骨料作為載體相比，對(duì)再生骨料礦化增強(qiáng)處理對(duì)再生混凝土的裂縫自修復(fù)能力降低幅度較小，增強(qiáng)后的再生骨料呈現(xiàn)出與陶粒相近的微生物固載能力。

圖6為各測(cè)試組混凝土經(jīng)不同修復(fù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后的裂縫完全修復(fù)率。從圖中可以看出：隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，NAC組、URAC-M組和URAC-P組混凝土裂縫完全修復(fù)能力呈現(xiàn)出先顯著提高后趨于穩(wěn)定的現(xiàn)象，當(dāng)修復(fù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d時(shí)，URAC-M組和URAC-P組的裂縫完全修復(fù)率分別達(dá)到了42.9%和43.8%，當(dāng)修復(fù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為56 d時(shí)，其裂縫完全修復(fù)率分別為50.0%和43.8%；隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，ERAC-M組和URAC-CM組混凝土裂縫完全修復(fù)能力逐漸提高，當(dāng)修復(fù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為14 d時(shí)，ERAC-M組和URAC-CM組裂縫修復(fù)率均為20%左右，當(dāng)修復(fù)養(yǎng)護(hù)時(shí)間為56 d時(shí)，ERAC-M組和URAC-CM組裂縫完全修復(fù)率分別提高至38.7%和33.3%。上述試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，采用混菌礦化處理后的再生骨料作為微生物載體的再生混凝土比采用陶粒的混凝土呈現(xiàn)出更高的裂縫修復(fù)能力。

綜上所述，再生骨料表面存在缺陷，將其直接作為微生物載體會(huì)降低再生混凝土的力學(xué)性能，經(jīng)過(guò)混菌礦化增強(qiáng)5 d后，再生粗骨料物理力學(xué)性能明顯提高，其質(zhì)量增長(zhǎng)率達(dá)到1.8%，吸水率和壓碎指標(biāo)降低幅度分別達(dá)到18.9%和13.8%。盡管與直接采用再生骨料作微生物載體相比，對(duì)再生骨料礦化增強(qiáng)處理時(shí)再生混凝土的裂縫自修復(fù)能力出現(xiàn)一定程度降低，但其降低幅度小于20%，并且隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，該方法比采用陶粒的混凝土呈現(xiàn)出更高的裂縫修復(fù)能力。因此，基于混菌礦化增強(qiáng)粗骨料的裂縫自修復(fù)再生混凝土制備方法能夠有效保證混凝土既有足夠的力學(xué)性能又具備良好的裂縫自修復(fù)性能。

圖5 修復(fù)28 d后混凝土最大和平均修復(fù)裂縫寬度Fig.5 Maximum and average repair crack width of concrete specimens after 28 d of healing

圖6 各測(cè)試組混凝土的裂縫完全修復(fù)率比較Fig.6 Comparison of complete crack-healing rate of concrete specimens

2.4 微觀結(jié)構(gòu)分析

圖7為再生骨料表面經(jīng)混菌礦化增強(qiáng)處理前后的微觀結(jié)構(gòu)。從圖7(a)中可以看出，未經(jīng)礦化增強(qiáng)處理的再生骨料表面附著一些舊砂漿，并且存在微裂縫，致使再生骨料的物理力學(xué)性能低于天然骨料。從圖7(b)可以看出，經(jīng)過(guò)微生物礦化增強(qiáng)處理后的再生骨料表面生成一層碳酸鈣沉淀，沉淀物較密實(shí)、均勻地附著在骨料表面，并且經(jīng)過(guò)混菌礦化增強(qiáng)后再生骨料表面生成一層晶體，晶體與晶體之間相互連接、相互堆積,將再生骨料表面的老舊砂漿與微裂縫包裹住，從而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)再生骨料物理力學(xué)性能的目的。

圖7 混菌礦化增強(qiáng)再生骨料前后表面沉淀物SEM照片F(xiàn)ig.7 SEM images of bio-deposition on surface of RCAs before and after enhanced by MICP

圖8為ERAC-M組的裂縫部位礦化沉淀物的微觀結(jié)構(gòu)。從圖中可以看出，基于混菌礦化的自修復(fù)再生混凝土裂縫部位的白色沉淀物形狀均為規(guī)則塊狀，并且晶體之間相互疊加重合形成結(jié)晶團(tuán)，晶體粒徑大多在10 μm以上，晶體表面分布少量的微小晶體。上述規(guī)律與Jonker等[14]對(duì)微生物自修復(fù)混凝土裂縫沉淀物的微觀結(jié)構(gòu)分析結(jié)果相吻合。

2.5 物相分析

對(duì)ERAC-M組裂縫部位礦化沉淀物進(jìn)行XRD分析，分析結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，衍射譜在2θ值為29.45°處出現(xiàn)了明顯強(qiáng)峰，這與純方解石強(qiáng)峰吻合良好，同時(shí)該礦化沉淀物其他峰值所對(duì)應(yīng)的2θ值與純方解石型晶體的峰值有較高的匹配度。此外，裂縫填充物存在另一強(qiáng)峰，其2θ值為27°，與石英晶體的峰值有較高的匹配度，石英晶體主要成分是SiO2，出現(xiàn)該晶體可能是由裂縫部位存在未水化水泥所致。XRD分析結(jié)果表明，混菌在再生混凝土裂縫部位礦化沉淀物的晶體類型為方解石。方解石具有良好的耐久性，并且與水泥基材料具有良好的兼容性，可以有效地填充混凝土裂縫。

圖8 裂縫處析出物SEM照片F(xiàn)ig.8 SEM images of precipitations in cracks

圖9 裂縫部位沉淀物XRD譜Fig.9 XRD patterns of healing compound produced in cracks

3 結(jié) 論

(1)混菌礦化增強(qiáng)能夠顯著地提高再生骨料物理力學(xué)性能，經(jīng)5 d礦化增強(qiáng)后，再生粗骨料質(zhì)量增長(zhǎng)率為1.8%，吸水率和壓碎指標(biāo)降低幅度可分別達(dá)到18.9%和13.8%。

(2)直接采用再生粗骨料作為混菌載體的再生混凝土呈現(xiàn)出最高的裂縫自修復(fù)能力，修復(fù)養(yǎng)護(hù)56 d后最大修復(fù)裂縫寬度達(dá)到0.57 mm，裂縫完全修復(fù)率達(dá)到50.0%。

(3)與直接采用再生粗骨料作為混菌載體相比，對(duì)再生骨料礦化增強(qiáng)處理時(shí)再生混凝土的裂縫自修復(fù)能力出現(xiàn)一定程度降低，但其降低幅度小于20%，最大修復(fù)裂縫寬度達(dá)0.47 mm，并且其裂縫自修復(fù)能力優(yōu)于采用陶粒作混菌載體的混凝土，驗(yàn)證了提出的裂縫自修復(fù)再生混凝土的有效性。