脲解型微生物的礦化過程及其在水泥基材料早期裂縫修復(fù)中的應(yīng)用

楊春景,白宏潔,張 彬,趙 峰

(1.黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 河南 開封 475004; 2.內(nèi)蒙古交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 道路橋梁工程系,內(nèi)蒙古 赤峰 024005; 3.華北理工大學(xué) 礦業(yè)工程學(xué)院, 河北 唐山 063210)

1 前 言

混凝土具有原材料來源廣泛、制備簡單、力學(xué)性能好、隔音性強等優(yōu)點,被廣泛應(yīng)用于橋梁、建筑、港口等現(xiàn)代化土木工程建筑中,在未來相當(dāng)長的一段時間內(nèi)仍具有巨大的應(yīng)用潛力[1-3]。然而,在實際的應(yīng)用過程中,由于混凝土自身存在一些缺點,如抗拉強度低、脆性大等,在建筑結(jié)構(gòu)服役時,難免會產(chǎn)生裂縫[4-6]。特別是當(dāng)混凝土表面開裂,水以及一些侵蝕性物質(zhì)(如CO2、Cl-和SO42-等)滲入混凝土,引起混凝土水化產(chǎn)物降解、鋼筋銹蝕,嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的安全性和使用性[7-9]。因此,及時高效地修復(fù)混凝土裂縫,不但可以提高混凝土的使用壽命,還可以節(jié)約混凝土結(jié)構(gòu)的維修成本,減少經(jīng)濟損失。

近年來,隨著多學(xué)科交叉技術(shù)的快速發(fā)展,利用微生物礦化技術(shù)來修復(fù)混凝土裂縫已成功吸引了眾多國內(nèi)外學(xué)者的研究興趣,并取得一系列不錯的科研成果。Bang等[10]率先論述了微生物礦化可用于混凝土裂縫修復(fù),且修復(fù)后的混凝土強度和剛度都得到一定程度的提高。荷蘭代爾夫特理工大學(xué)的Jonkers等[11]首次提出了微生物自修復(fù)混凝土的概念,主要是將耐堿性芽孢桿菌和底物作為微生物自修復(fù)劑,在混凝土制備過程中加入其中,當(dāng)裂縫產(chǎn)生后,混凝土內(nèi)部的微生物會發(fā)生礦化反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀,從而達到裂縫修復(fù)的目的。

眾所周知,在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的過程中,微生物的生物化學(xué)反應(yīng)過程起到至關(guān)重要的作用[12-15],并且微生物的生化過程在自然界各類介質(zhì)中均廣泛存在[16-18]。到目前為止,大部分的研究均集中在研究微生物對水泥基材料裂縫的自修復(fù)效果及其采用載體技術(shù)來提高后期裂縫的修復(fù)效果。然而,對于溫度、pH值和Ca2+濃度對微生物的生長情況、微生物的生物礦化過程及其各離子濃度的變化,大都僅研究其中一種或兩種條件的影響,且并未進行詳細的討論分析[19-20]。同時,對于微生物礦化過程中的各離子濃度的動態(tài)變化,也缺乏相應(yīng)的探討[21]。而這些都是影響微生物礦化效率的重要因素,同時也深深影響著水泥基材料裂縫的自修復(fù)效率[22-24]。因此,亟需開展微生物生長條件等方面的研究,這對于水泥基材料裂縫修復(fù)效果的提高至關(guān)重要。

本研究選用一種耐堿性且能產(chǎn)生脲酶的微生物,研究溫度、pH 值和Ca2+濃度對該微生物生長情況的影響。隨后,以溶液中的各離子濃度和pH 值變化來研究微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的動態(tài)過程,揭示了MICP的礦化機理。同時,將此微生物和鈣源加入到砂漿試件中,以面積修復(fù)率和抗水滲透修復(fù)率兩個指標(biāo)來表征裂縫的自修復(fù)效果,從而為MICP 技術(shù)應(yīng)用于水泥基材料裂縫修復(fù)實踐提供技術(shù)支撐。

2 實驗與方法

2.1 微生物與培養(yǎng)基

本研究選用的微生物是一種脲解型巴氏芽孢桿菌,購自中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC),此細菌在新陳代謝過程中可以產(chǎn)生脲酶[25]。細胞呈桿狀,直徑1.0～1.5 μm,長2.0～4.0 μm,革蘭氏陽性。細菌培養(yǎng)基成分如下:5.0 g/L 牛肉膏, 3.0/L g蛋白胨,10 g/L 尿素和1 L 去離子水(pH=7.0)。將上述培養(yǎng)基溶液放入1 000 mL 的錐形瓶中,并在121 ℃的壓力蒸汽滅菌鍋中滅菌20 min。接著,在無菌超凈臺上接種10 mL 微生物菌液至培養(yǎng)基中,在30℃和200 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。在微生物生長過程中,每隔6 h檢測微生物的生長情況和培養(yǎng)液中pH 值的變化。隨后,取出微生物菌液放入4 ℃的冰箱中備用。

2.2 微生物生長測試

通過測試微生物菌液在波長600 nm 處的光密度(OD600)來表征微生物的生長情況。OD600值越大,說明微生物的生長情況越好。其中,微生物菌液中的OD600采用多功能酶標(biāo)儀(Varioskan LUX)進行測試。此外,待OD600穩(wěn)定后,取培養(yǎng)液上清液,用滅菌后的去離子水稀釋十倍后,分別采用倒置熒光顯微鏡和場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FE-SEM)來觀測細菌的形貌。

2.3 微生物培養(yǎng)液的pH 值測試

在微生物生長和礦化過程中,可采用精度為0.1的工業(yè)在線pH 計檢測儀(無錫美耀自動化科技有限公司)測試培養(yǎng)基溶液的pH 值。

2.4 培養(yǎng)液中Ca2+濃度測試

采用EDTA 滴定法來測定培養(yǎng)液中的Ca2+濃度[26]。而微生物的礦化效率則采用鈣化速率來間接反映。

鈣化速率反映的是單位時間內(nèi)培養(yǎng)基溶液中Ca2+濃度的變化值,如下式(1)所示:

式中:η為鈣化速率,C0為初始培養(yǎng)液中的Ca2+濃度,Ct為培養(yǎng)t時間后溶液中的Ca2+濃度。

2.5 溫度對微生物生長情況的影響

眾所周知,溫度會影響微生物的生長情況。因此,在5、10、15、20、25、30和35 ℃分別研究溫度對微生物生長的影響。隨后,將25 mL的微生物菌液加入到滅菌后pH 值為7.0的250 mL 培養(yǎng)基中,然后,在不同溫度、200 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。通過測試培養(yǎng)基中上清液的OD600來反映微生物的生長情況。

2.6 初始pH 值對微生物生長情況的影響

微生物的生長會受到外界pH 值的影響,過低或過高的pH 值會影響微生物的生長。通過滅菌后的4 mol/L NaOH 溶液來調(diào)節(jié)培養(yǎng)基的初始pH 值分別為6.0,7.0,8.0,9.0,10.0,11.0,12.0 和13.0。接著,將25 mL 的微生物菌液加入到滅菌后250 mL 不同初始pH 值的培養(yǎng)基中。然后,將其在25 ℃、200 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。通過測試培養(yǎng)基中上清液的OD600來反映微生物的生長情況。

2.7 Ca2+濃度對微生物生長情況的影響

Ca2+濃度作為微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)過程中的一個重要參數(shù),若Ca2+過少,會影響CaCO3沉淀的生成量,若Ca2+量過多,則會影響微生物的生長情況和礦化效率。采用乳酸鈣作為外加鈣源,將Ca2+濃度分別調(diào)節(jié)為0,30,60,90,120,150,180,210 和240 mM。接著,將25 mL的微生物菌液加入到滅菌后250 mL不同Ca2+濃度的培養(yǎng)基中。然后,在25 ℃、200 r/min的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。通過測試培養(yǎng)基中上清液的OD600來反映微生物的生長情況。

2.8 堿性溶液中微生物誘導(dǎo)碳酸鈣的沉淀(MICP)過程

將90 mM 乳酸鈣溶液加入到500 mL 滅菌后培養(yǎng)基中(pH=9.0),接著,將5 mL 處于對數(shù)期生長的微生物菌液加入到培養(yǎng)基中。然后,在相同的培養(yǎng)條件下(25℃和200 r/min)進行振蕩培養(yǎng)72 h。在微生物礦化過程中,每隔6 h檢測培養(yǎng)液中的pH 值、Ca2+和濃度,其中,pH 值和NH4+ 濃度分別采用pH 計和氨氣敏電極(PNH3-3)測試,并且在測試之前均采用標(biāo)準(zhǔn)溶液進行校正,Ca2+濃度則采用EDTA 滴定法測試。

2.9 砂漿試件的制備

采用標(biāo)準(zhǔn)的三聯(lián)模(40 mm×40 mm×160 mm)制備砂漿試件,將普通硅酸鹽水泥P·II 42.5與砂混合在一起制備標(biāo)準(zhǔn)砂漿(w/c=0.5),值得注意的是在砂漿拌和過程中應(yīng)嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17671-2021的步驟進行,表1是不同類型砂漿試件的配合比。在砂漿攪拌過程中,微生物菌液代替等體積的水一起加入砂漿中。每個配比成型3組試件,24 h脫模,然后將試件放入標(biāo)養(yǎng)室中(RH=90%, T=(20±3) ℃進行養(yǎng)護,當(dāng)養(yǎng)護時間達到6 d以后,將試件取出,采用折斷法制造裂縫。

表1 不同砂漿試件的配合比Table 1 Mix proportions of different mortar specimens

2.10 裂縫制備方法及其自修復(fù)過程

為了獲得真實情況下的裂縫,采用折斷法來制造裂縫。具體的步驟如下:將養(yǎng)護好的試件各表面清洗干凈并晾干,將清洗好的棱柱形試件放在全自動抗折抗壓力試驗機下(YAW-300C),適當(dāng)控制壓力加載速度,通過三點彎曲試驗將試件斷裂為兩半,然后通過細鐵絲插入到裂縫中來控制試件的裂縫寬度,最后將兩半試件用細膠帶組裝在一起,可通過直徑不同的鐵絲得到不同寬度的裂縫,最終獲得的裂縫寬度在0.30～0.45 mm 之間[27]。待裂縫制作完成后,將試件放入25 ℃的水中進行干濕循環(huán)修復(fù)。在每個干濕循環(huán)修復(fù)過程中,12 h浸泡在25 ℃的水中,12 h暴露在25℃的大氣中.隨后測試不同養(yǎng)護時間下裂縫的自修復(fù)效果,直至修復(fù)時間達到28 d為止。圖1是砂漿試件裂縫的制作和修復(fù)養(yǎng)護過程示意圖。

圖1 裂縫制作及修復(fù)養(yǎng)護過程示意圖Fig.1 Schematic diagram of crack production and healing processes

2.11 砂漿試件裂縫的自修復(fù)效果

2.11.1 面積修復(fù)率 當(dāng)裂縫在不同養(yǎng)護時間下進行修復(fù)時,圖像法最能直觀表征不同修復(fù)時間下裂縫的自修復(fù)效果。采用體式顯微鏡(SZ61-SET)對不同修復(fù)時間下的裂縫拍照,然后對初始裂縫圖像進行閾值割裂,實現(xiàn)圖像二值化處理,通過灰度值的變化來獲得不同修復(fù)時間下裂縫區(qū)的像素值。依據(jù)以前的研究[28-30],面積修復(fù)率的計算公式如下:

式中:β為裂縫的面積修復(fù)率,A0為剛開裂時裂縫區(qū)像素值,At為不同修復(fù)時間t時的裂縫區(qū)像素值。

2.11.2 抗水滲透修復(fù)率 當(dāng)砂漿試件產(chǎn)生裂縫后,試件的抗?jié)B水性就會大幅降低,而當(dāng)裂縫被修復(fù)后,相同時間內(nèi)通過裂縫的水流量會減少。因此,通過測試恒定時間內(nèi)不同修復(fù)時間砂漿試件通過裂縫的水流量,可計算得到裂縫的抗水滲透修復(fù)率。滲水法測試裂縫的水流量示意圖如圖2所示,在進行本實驗時,需分別測定裂縫修復(fù)前和不同修復(fù)時間下的水滲透速度,并根據(jù)下列公式計算不同修復(fù)時間裂縫的抗水滲透修復(fù)率[30]:

圖2 水滲透速度測試示意圖Fig.2 Schematic diagram of water penetration rate

式中:λ為裂縫的抗水滲透修復(fù)率,V0為未修復(fù)時通過砂漿試件的水滲透速度(mL/s),Vt為修復(fù)時間t后通過砂漿試件的水滲透速度(mL/s)。

2.12 裂縫區(qū)修復(fù)產(chǎn)物分析

當(dāng)砂漿試件裂縫修復(fù)時間達到28 d時,將試件裂縫區(qū)的修復(fù)物質(zhì)取下,清洗干燥后備用。樣品的物相組成采用D/max 2550V 型X 射線衍射儀(XRD)來分析,掃描速度0.02 (°)/s;利用配有能譜儀(EDS)的Nayo Nano SEM 450 場發(fā)射掃描電子顯微鏡(FESEM)分析沉淀物的形貌和元素組成。

3 結(jié)果與討論

3.1 微生物的生長情況與形貌觀察

圖3是微生物培養(yǎng)過程中細菌的生長曲線和培養(yǎng)基溶液中pH 值的變化。從中可以看出,在0～12 h區(qū)間內(nèi),細菌生長緩慢,此時細菌處于遲緩期階段;當(dāng)培養(yǎng)時間達到12 h后,細菌繁殖增快,細菌體數(shù)目呈對數(shù)式增長,表明此階段細菌位于對數(shù)增長期。在48～76 h區(qū)間內(nèi),細菌的繁殖速度趨于穩(wěn)定,新增細菌數(shù)目與死亡細菌數(shù)目達到一個動態(tài)平衡,表明細菌已處于穩(wěn)定期階段。當(dāng)培養(yǎng)時間達到76 h后,由于培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質(zhì)的減少,以及細菌生長繁殖過程中有害代謝產(chǎn)物的增加,細菌死亡數(shù)目大幅度升高,繁殖生長能力大大降低,表明細菌已進入衰亡期。此外,在細菌生長過程中,培養(yǎng)基溶液中的pH 值呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢,在36 h 時最低pH 值達到5.4。造成pH 值變化的原因是細菌在新陳代謝過程中會產(chǎn)生CO2,同時大氣中的CO2氣體溶解于培養(yǎng)基中,故而在早期細菌繁殖過程中培養(yǎng)基溶液的pH 值呈現(xiàn)弱酸性,引起pH 值的下降[31]。隨后,細菌生長過程中產(chǎn)生的脲酶會促進尿素的分解,在培養(yǎng)基中會形成OH-,從而造成培養(yǎng)基溶液的pH 值上升。

圖3 巴氏芽孢桿菌的生長曲線及培養(yǎng)液pH 值的變化Fig.3 Growth curve of Bacillus pasteurii and pH changes in the culture medium

圖4是細菌營養(yǎng)體的光學(xué)顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)圖片,觀察可知,所得細菌營養(yǎng)體呈現(xiàn)短桿狀,圓柱形,長度約為2.0～3.0 μm。

圖4 細菌營養(yǎng)體的OM 圖像(a)和SEM 圖像(b)Fig.4 Bacterial vegetative cells (a) OM micrograph; (b) SEM image

3.2 溫度對微生物生長情況的影響

圖5是不同溫度下微生物的生長情況。從圖中可以看出,從低溫到高溫,隨著培養(yǎng)溫度的升高,微生物的生長繁殖情況有顯著差異。在低溫時(5 ℃),微生物幾乎不生長,當(dāng)溫度逐漸升高時,細菌生長繁殖逐漸加快。溫度升高到25 ℃時,細菌的OD600峰值最高,而后隨著溫度繼續(xù)升高,微生物生長情況受到顯著影響,OD600峰值下降,溫度達35 ℃時,細菌的生長受到一定程度的抑制,上述結(jié)果表明微生物的生長明顯受到溫度影響。當(dāng)培養(yǎng)溫度為25 ℃時,微生物的生長情況最好。而當(dāng)外界溫度過高時,微生物中的蛋白質(zhì)等會因熱作用而變性失活,導(dǎo)致細菌死亡[26,31]。若溫度過低,此時細菌的代謝活動降低,處于休眠狀態(tài),不再生長繁殖,但可以維持細菌的活性,因此低溫環(huán)境下有助于保存微生物菌液?？傮w來說,25 ℃是細菌生長的最佳溫度。

圖5 不同溫度下細菌的生長情況Fig.5 Growth of bacteria at different temperatures

3.3 培養(yǎng)液初始pH 值對微生物生長的影響

不同初始pH 值下測得的微生物菌液的OD600值如圖6所示。從圖可見,微生物的最佳生長pH 值為7.0～10.0,在此范圍內(nèi),細菌生長繁殖良好。而后隨著pH 值的升高,細菌的生長受到抑制,當(dāng)pH 值達到13.0時,細菌幾乎不再生長。主要原因可能是pH 值會影響細菌細胞膜的通透性,進而影響細菌對營養(yǎng)物質(zhì)的吸收,最終影響細菌的新陳代謝。此外,當(dāng)水泥基材料產(chǎn)生裂縫時,水和空氣的進入會降低裂縫區(qū)溶液的pH 值,致使裂縫區(qū)水溶液的pH 值為8.0～11.0[29,32]。因此,該細菌可以在水泥基材料裂縫區(qū)溶液中生長繁殖,進行礦化反應(yīng)來修復(fù)裂縫。

圖6 菌液不同初始pH 值下細菌的生長情況Fig.6 Growth of bacteria at different initial pH values

3.4 培養(yǎng)液中Ca2+濃度對微生物生長情況的影響

不同Ca2+濃度對微生物生長情況的影響如圖7所示。從圖可見,隨著Ca2+濃度的增加,細菌的生長情況有所不同。當(dāng)Ca2+濃度在0～90 mM 時,細菌生長情況良好;而當(dāng)Ca2+濃度升高到120 mM 時,細菌生長受到一定程度的抑制;繼續(xù)增加到150 mM,微生物菌液的OD600值急劇下降;當(dāng)Ca2+濃度達到180 mM 以后,細菌幾乎不再生長。該實驗結(jié)果表明,細菌的生長存在一個合適的菌液Ca2+濃度范圍,當(dāng)Ca2+濃度過高時,細菌的生長會受到嚴(yán)重抑制。其主要原因可能是Ca2+濃度會影響微生物細胞周圍的滲透壓,當(dāng)Ca2+濃度過高時,細菌會因細胞脫水而失活,進而影響微生物的存活[31,33-34]。故而菌液最佳的Ca2+濃度范圍為0～90 mM。

3.5 微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉淀(MICP)的礦化過程

圖8是不同培養(yǎng)時間下培養(yǎng)基溶液的pH 值和離子濃度變化。從圖中可知,對于未加菌組來說,培養(yǎng)液的pH 值和Ca2+濃度隨時間增長而緩慢降低(圖8a),這可能是大氣中的CO2溶解在培養(yǎng)液中造成的,主要發(fā)生的是碳化反應(yīng)過程。此外,NH4+ 濃度在80～110 mM 上下浮動,主要是培養(yǎng)基中的尿素在滅菌過程中分解造成的。然而,當(dāng)加入微生物后,從圖8(b)可以看出培養(yǎng)基中MICP過程可分為三個階段。在第一個階段(0～24 h),pH 值緩慢降低,并且部分游離Ca2+被消耗沉淀。此外,NH4+濃度緩慢升高,與圖8(a)相比,pH 值和Ca2+及NH+4濃度的變化趨勢一致。圖9中的鈣化速率也表明,在前24 h內(nèi),未加菌組和加菌組培養(yǎng)基中的鈣化速率幾乎相同。因此,可以認(rèn)為第一階段主要發(fā)生的是碳化反應(yīng),與微生物關(guān)系不大,是化學(xué)沉淀反應(yīng)。第二階段(24～60 h)是微生物礦化的主要階段。經(jīng)過60 h 后,溶液中的游離Ca2+基本被消耗完畢,生成了CaCO3沉淀?？赡馨l(fā)生的生物礦化反應(yīng)如下[35-37]:

圖8 培養(yǎng)液中pH 值和離子濃度的變化 (a) 無細菌;(b) 有細菌Fig.8 Changes of pH value and ion concentration in medium(a) without bacteria; (b) with bacteria

圖9 不同培養(yǎng)時間下鈣化速率的變化Fig.9 Changes of calcification rate under different culture time

在24～60 h內(nèi),細菌大量繁殖,脲酶活性高,在脲酶的催化作用下,培養(yǎng)基中會生成大量的CO2-3,致使溶液中的可溶性Ca2+被大量快速沉淀。此外,由于的持續(xù)消耗,以及H+的產(chǎn)生,導(dǎo)致溶液中pH值快速降低。而后當(dāng)Ca2+消耗完畢后,CO2-3的累積會導(dǎo)致溶液中的pH 值升高呈堿性,同時,在脲酶的催化作用下,NH4+快速增加?？偟膩碚f,第二階段中的酶催化作用是引起CaCO3沉淀的關(guān)鍵因素。在第三階段,游離Ca2+全部被消耗完畢,細菌繼續(xù)產(chǎn)生脲酶,分解尿素來生成NH4+,同時生成OH-,從而導(dǎo)致濃度和溶液pH 值的升高[20]。

圖9中的鈣化速率結(jié)果表明,未加菌組的鈣化速率基本維持不變,約為0.40 mM·h-1。加入微生物后,前24 h的鈣化速率與未加菌組類似,而后隨著培養(yǎng)時間的延長,鈣化速率快速增加,在54 h達到最大;隨后,可溶性Ca2+被消耗完畢,致使鈣化速率有所降低?？偟膩碚f,該脲解型微生物可以誘導(dǎo)CaCO3沉淀,并加速CaCO3的形成過程,表明其在水泥基材料裂縫修復(fù)中的作用具有可靠的理論支撐。

3.6 砂漿裂縫修復(fù)效果觀察與分析

3.6.1 面積修復(fù)率 不同組砂漿試件裂縫修復(fù)前后的照片如圖10所示。從圖可見,基準(zhǔn)組砂漿的裂縫經(jīng)過28 d修復(fù)后有所減小,這主要是由于試件內(nèi)部水泥顆粒的二次水化所致[2]。而裂縫表面僅有少量的白色物質(zhì)生成,這主要是大氣中的CO2溶于裂縫區(qū)堿性溶液中產(chǎn)生碳化反應(yīng)所致[38]。而微生物組砂漿裂縫經(jīng)過28 d的干濕循環(huán)修復(fù),裂縫口處有大量白色物質(zhì)生成。采用數(shù)值二值化處理后的圖像如圖11所示,依據(jù)此圖像計算出像素值,面積修復(fù)率如圖12所示。結(jié)果顯示,不同修復(fù)時間下的裂縫面積修復(fù)率是不同的,且呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,當(dāng)裂縫修復(fù)時間達到28 d后,基準(zhǔn)組砂漿和微生物組砂漿裂縫的面積修復(fù)率分別為5.3%和99.2%。相同時間下微生物組砂漿裂縫的面積修復(fù)率明顯高于基準(zhǔn)組砂漿,表明采用微生物礦化技術(shù)可以提高裂縫的自修復(fù)效果。

圖10 不同砂漿試件裂縫修復(fù)前和28 d修復(fù)后裂縫的圖片F(xiàn)ig.10 Crack pictures of different mortar specimens before and healing for 28 d

圖11 不同砂漿試件裂縫修復(fù)前和28 d修復(fù)后裂縫經(jīng)二值化處理后的圖像Fig.11 Binary treatment pictures of cracks of different mortar specimens before and healing for 28 d

圖12 不同修復(fù)時間下不同砂漿裂縫的面積修復(fù)率Fig.12 Area repair ratio of different mortar cracks under different healing time

3.6.2 抗水滲透修復(fù)率 圖13是根據(jù)式(3)計算出的抗水滲透修復(fù)率數(shù)據(jù)。從圖可見,兩組試件的抗水滲透修復(fù)率隨著修復(fù)時間的增加都呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,但基準(zhǔn)組砂漿試件的抗水滲透修復(fù)率變化很小,這可能是裂縫內(nèi)部未水化水泥顆粒的二次水化造成裂縫內(nèi)部的封堵,與面積修復(fù)率的變化相一致,裂縫表面未被修復(fù),其抗水滲透修復(fù)率較低。對于微生物組砂漿試件來說,經(jīng)過28 d的干濕循環(huán)修復(fù)后,微生物組砂漿試件的抗水滲透修復(fù)率高達95%,這主要是裂縫表面被白色物質(zhì)填充,抗?jié)B水性能得到提高之故。與面積修復(fù)率相比,由于抗水滲透修復(fù)率反映的是裂縫內(nèi)部被填充物填充的情況及裂縫修復(fù)后的充盈程度,而面積修復(fù)率則是直觀反映裂縫表面的修復(fù)情況。裂縫表面修復(fù)越好,抗水滲透修復(fù)率亦會越高,亦即裂縫的抗?jié)B水性能就越好[39]。

圖13 不同修復(fù)時間下砂漿試件的抗水滲透修復(fù)率Fig.13 Anti-penetration repair ratio of different mortar cracks under different healing time

3.7 裂縫區(qū)白色物質(zhì)的SEM 表征

基準(zhǔn)組和微生物組砂漿試件裂縫區(qū)白色物質(zhì)的SEM 照片如圖14 所示。從圖可見,基準(zhǔn)組試件(圖14a)表面的白色物質(zhì)是不規(guī)則小顆粒,且四處分散無規(guī)律,而微生物組的(圖14b)則是由大量立方塊和少量圓球顆粒團聚而成的不規(guī)則形狀的大顆粒,且堆積程度密實。EDS檢測結(jié)果(圖15)表明兩組砂漿試件裂縫區(qū)的白色物質(zhì)主要由C、O 和Ca三種元素組成,表明該白色物質(zhì)為CaCO3,而XRD 分析結(jié)果(圖16)表明裂縫區(qū)的CaCO3主要是方解石。

圖14 修復(fù)28 d后裂縫區(qū)白色物質(zhì)的SEM 圖像 (a) 基準(zhǔn)組;(b) 微生物組Fig.14 SEM images of white substances at the crack mouth after healing for 28 d (a) reference group; (b) microbial group

圖15 修復(fù)28 d后裂縫區(qū)白色物質(zhì)的EDS能譜 (a) 基準(zhǔn)組;(b) 微生物組Fig.15 EDS spectrum of white substances at the crack mouth after healing for 28 d (a) reference group; (b) microbial group

圖16 修復(fù)28 d后裂縫區(qū)白色物質(zhì)的XRD圖譜Fig.16 XRD patterns of white substances at the crack mouth after healing for 28 d

3.8 微生物砂漿裂縫自修復(fù)機理

微生物自修復(fù)混凝土是將微生物自修復(fù)劑在拌和過程中加到混凝土中,以達到裂縫自動修復(fù)的目的。當(dāng)砂漿試件產(chǎn)生裂縫后,水和空氣的進入會降低砂漿試件裂縫區(qū)溶液的pH 值,最終達到8.0～10.0[29,32],從而促進細菌的生長。在細菌代謝過程中,會產(chǎn)生脲酶,此外還可以產(chǎn)生部分CO2,在脲酶的催化作用下,大量生成CO2-3,亦即CaCO3生成必需的。此外,由于砂漿試件裂縫區(qū)溶液中含有大量Ca2+,這些Ca2+會通過靜電作用吸附到微生物細菌體表面,而微生物作為CaCO3沉積的成核位點,有利于降低結(jié)合能,從而促進方解石晶型的CaCO3生成,以此來實現(xiàn)裂縫自修復(fù)的效果。具體的裂縫修復(fù)過程示意圖如圖17 所示,裂縫修復(fù)過程發(fā)生的反應(yīng)如下所示:

圖17 微生物砂漿試件裂縫的自修復(fù)機理Fig.17 Self-healing mechanism of cracks in in mortar specimens

① 細菌在新陳代謝過程中會產(chǎn)生脲酶,在脲酶的作用下,生成大量CO2-3:

② 帶負(fù)電的微生物細菌體通過靜電作用吸附Ca2+聚集在細菌體表面:

③ 同時,作為成核位點的微生物菌體會降低結(jié)合能,使得CaCO3快速生成:

4 結(jié) 論

本研究選用一種在新陳代謝過程中可產(chǎn)生脲酶的脲解型微生物,適合于該微生物生長的最佳溫度、初始pH 值和Ca2+濃度分別為25℃,7.0～10.0 和0～90 mM。微生物礦化實驗結(jié)果表明,加入微生物后,在脲酶的催化作用下,產(chǎn)生的CO2-3會促使溶液中的游離Ca2+濃度快速降低,并提高CaCO3的生成速率。此外,砂漿試件裂縫自修復(fù)效果表明,該微生物自修復(fù)劑對早期裂縫具有良好的自修復(fù)功能,經(jīng)檢測砂漿試件裂縫區(qū)的白色產(chǎn)物是方解石CaCO3。最后,揭示了砂漿試件裂縫的的自修復(fù)機理?？傊?本研究為MICP應(yīng)用于水泥基材料早期裂縫的修復(fù)提供了一定理論依據(jù)。