微生物礦化作用下的混凝土性能強化研究

孫 彬 陶佳麗

（山西工程技術(shù)學院,礦區(qū)生態(tài)修復與固廢資源化省市共建山西省重點實驗室培育基地,山西 陽泉 045000）

在混凝土的使用過程中,經(jīng)常會出現(xiàn)裂縫,如果沒有及時修復,會引起腐蝕和其他問題[1-2]。近年來微生物誘導碳酸鈣沉淀 (Microbially induced carbonate precipitation,MICP) 技術(shù)逐漸被用于混凝土試件的修復、混凝土性能的強化等方面[3-8]。二十世紀九十年代開始,國內(nèi)外研究人員對其作用機制進行研究[9-13]。本文利用一株耐堿菌株（蠟樣芽孢桿菌Bacillus cereus）進行微生物水泥試件的制備,同時對微生物水泥進行強度測試和孔隙度測試,進而分析微生物在增強水泥性能和水泥修復方面的作用。

1 材料與方法

1.1 實驗菌株

液體培養(yǎng)基配方：稱取5g 牛肉膏,10g 胰蛋白胨,5g氯化鈉,溶解于蒸餾水中,定容到1L。滴加NaOH 溶液（1mol/L）調(diào)節(jié)培養(yǎng)基酸堿度,最終使pH=7.2,高溫滅菌。

本研究選擇蠟樣芽孢桿菌（Bacillus cereus）進行實驗,其屬于一株耐堿細菌。

將保存的菌株室溫解凍,接種于固體培養(yǎng)基中,30℃培養(yǎng)12h,挑取單個菌落接種到液體培養(yǎng)基中培養(yǎng),待菌生長到一定量時,用分光光度計檢測菌液在600nm波長下的吸光度,OD600nm=0.8-1.0 時,即可作為種子液用于微生物誘導方解石實驗和混凝土柱子的制備。

1.2 蠟樣芽孢桿菌誘導方解石

配置誘導方解石的培養(yǎng)基：在上述的液體培養(yǎng)基中添加CaCl2,使培養(yǎng)基中Ca2+離子濃度達到0.01mol/L,高壓滅菌,待培養(yǎng)基冷卻后,在培養(yǎng)基中加入Na2CO3和NaHCO3溶液,以上2 種溶液均經(jīng)過過濾高壓冷卻后使用,最終使誘導培養(yǎng)基中Na2CO3和NaHCO3的濃度均為0.04mol/L。

本研究分為實驗組與對照組,實驗組將1.5mL 菌液接種于150mL 誘導培養(yǎng)基中,對照組將1.5mL 無菌蒸餾水加入到150mL 誘導培養(yǎng)基中,130rpm,37℃培養(yǎng),每隔48h 取樣進行碳酸酐酶活性檢測。連續(xù)培養(yǎng)7 天后,取出培養(yǎng)基底部的沉淀,用無水乙醇洗滌。利用XRD 確定沉淀的晶體類型,利用掃描電鏡（SEM）和能譜（EDS）對沉淀進行微觀形貌和元素分析。

1.3 制備混凝土試件

水泥型號選擇PA32.5；沙子選擇石英砂,用直徑為2mm 的篩子篩過后備用。

將水泥、石英砂與液體組分按8：10：3 的比例混合（表1）,混合的過程中充分攪拌使其成分均勻。根據(jù)所用液體成分的不同,將實驗試件分成A、B、C、D 四組。使用內(nèi)徑50mm,高度100mm 的模具制作混凝土試件,放入溫度為20℃,濕度為95%的恒溫恒濕箱內(nèi)。分別取養(yǎng)護7 天、21 天、28 天的混凝土試件,對其進行后續(xù)測試。

表1 混凝土試件配方

1.4 混凝土試件的抗壓強度與孔隙度測試

在土木和地質(zhì)工程領(lǐng)域,常用混凝土的強度來評價其質(zhì)量等級。通過混凝土試件的抗壓強度指標來評價混凝土。制作好的混凝土試件經(jīng)過剖光打磨,之后測試其無側(cè)限單軸抗壓強度。同時,取養(yǎng)護28 天的混凝土試件進行孔隙度測試。

2 實驗結(jié)果

2.1 細菌誘導得到方解石

培養(yǎng)7 天之后,對照組培養(yǎng)基呈清澈狀,無沉淀產(chǎn)生；實驗組培養(yǎng)基變渾濁,底部可見沉淀。實驗組沉淀的XRD 結(jié)果可知,沉淀為方解石（圖1）。微生物成因的方解石的形貌與菱形方解石晶體明顯不同,呈現(xiàn)啞鈴型,大小在10 μm 左右,晶體表面粗糙,有許多微米級別的顆粒組成（圖2（a））,主要元素包含Ca、O、C 和少量的Na、Mg（圖2（b））。綜上,推斷礦物為方解石。

圖1 蠟樣芽孢桿菌誘導得到的沉淀的XRD 結(jié)果

圖2 蠟樣芽孢桿菌誘導得到的方解石形貌（a）及元素組成（b）

2.2 蠟樣芽孢桿菌的方解石形成機制

蠟樣芽孢桿菌在培養(yǎng)2 天、4 天、6 天的時候,碳酸酐酶活性分別是12.45 U/L、9.99 U/L 和9.89 U/L,表明該菌具備碳酸酐酶活性。

大量的研究表明,細菌分泌的碳酸酐酶在誘導碳酸鹽礦物形成的過程中發(fā)揮著不可或缺的作用[15-16],為碳酸鈣等礦物的形成創(chuàng)造有利的環(huán)境。碳酸酐酶可以促進二氧化碳的水合作用,生成碳酸氫根與碳酸根（反應(yīng)式（1）、（2））,其催化速率可以達到106/s。

碳酸氫根與碳酸根含量的升高加速了碳酸鈣的沉淀（反應(yīng)式（3））。

通過上述過程,細菌可以通過分泌的碳酸酐酶為碳酸鈣的沉淀提供一個超飽和的環(huán)境。同時,細菌及其胞外聚合物表面的負電荷可以吸附鈣離子,形成超飽和的微環(huán)境,從而促進碳酸鈣的沉淀,因此,本研究認為細菌及其胞外聚合物在這一過程中起到成核位點的作用。

2.3 微生物混凝土強度測試

在對混凝土試件進行抗壓測試后,發(fā)現(xiàn)試件出現(xiàn)破裂面,破裂面多貫穿試件的頂?shù)酌??；炷猎嚇拥臒o側(cè)限抗壓強度測試結(jié)果如圖3 所示,恒溫恒濕箱內(nèi)放置7天的混凝土柱子,A 組樣本的峰值強度最低（18.30MPa）,而B 組樣本的峰值強度為20.59MPa,C 組樣本的峰值強度為25.16MP,D 組樣本的峰值強度為31.90MPa,整體呈現(xiàn)增高趨勢。在恒溫恒濕箱內(nèi)放置21、28 天的混凝土柱子呈現(xiàn)同樣的變化趨勢。值得注意的是,隨著天數(shù)的增加,各組混凝土柱子的抵抗壓力破壞強度的能力不斷增強,結(jié)果表明混凝土樣品的強度與養(yǎng)護時間呈正相關(guān)。

圖3 混凝土樣品的抗壓強度實驗結(jié)果

養(yǎng)護時間相同的情況下,液體成分為培養(yǎng)基時（B組）,混凝土的強度高于液體為蒸餾水的混凝土（A 組）,推測是培養(yǎng)基中有機官能團與混凝土顆粒表面之間存在吸附作用。液體為接種細菌的培養(yǎng)基的（C 組）,混凝土的強度再次增強,推測是細菌及胞外聚合物可以對混凝土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。接種細菌且添加CaCl2的培養(yǎng)基的混凝土（D 組）,混凝土強度達到最高值,研究推斷培養(yǎng)基中的Ca2+可以與CO32-、HCO3-結(jié)合,生成CaCO3沉淀（反應(yīng)式3）。碳酸鈣作為膠結(jié)物,將混凝土中的砂、石灰粘結(jié)在一起,提高了混凝土樣品的強度。

2.4 混凝土孔隙率

混凝土試件孔隙度測試結(jié)果如圖4。A 組混凝土試件的孔隙度達到16.42 %；B 組、C 組、D 組混凝土試件的孔隙度分別為13.00 %、10.20 %、9.40 %,孔隙度數(shù)值依次降低,這表明混凝土試件的孔隙減少,因此,混凝土的密度增大,強度增大,性能得到強化。

圖4 混凝土試件孔隙度實驗結(jié)果

3 結(jié)論

蠟樣芽孢桿菌分泌的碳酸酐酶催化了二氧化碳的水合作用,為方解石提供超飽和的微環(huán)境。碳酸鈣沉淀在混凝土的孔隙中起到膠結(jié)物的作用,增加顆粒之間的粘聚力,從而提高強度；同時,碳酸鈣占據(jù)了原有的部分孔隙,從而降低了混凝土樣品的孔隙度。微生物誘導方解石為混凝土的性能強化、裂隙修復提供了一種可行的方法。