增強(qiáng)再生骨料固載混菌的混凝土裂縫自修復(fù)性能

花素珍, 張家廣*,2, 高沛, 范月東, 周愛娟

(1.太原理工大學(xué) 土木工程學(xué)院，太原 030024；2.土木工程防災(zāi)與控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，太原 030024；3.太原理工大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024)

混凝土在服役期間容易因外部荷載、環(huán)境因素或者多因素耦合等作用產(chǎn)生裂縫，這些裂縫可能會(huì)顯著降低混凝土耐久性能和力學(xué)性能。為了延長(zhǎng)混凝土使用壽命，需及時(shí)對(duì)其裂縫采取有效的修復(fù)措施[1]?；谖⑸锏V化沉積(MICP)的混凝土裂縫修復(fù)技術(shù)[2]運(yùn)用微生物代謝誘導(dǎo)生成的碳酸鈣沉淀自動(dòng)修復(fù)裂縫部位，具有裂縫填充物與混凝土兼容性良好、可多次修復(fù)、綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，近年來(lái)引起了越來(lái)越多的學(xué)者關(guān)注[3-8]。

目前，大多學(xué)者對(duì)基于單一微生物(純菌)礦化的混凝土裂縫自修復(fù)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究，純菌主要包括產(chǎn)脲酶菌(巴氏芽孢桿菌、球形芽孢桿菌等)、好氧代謝菌(科式芽孢桿菌、假堅(jiān)強(qiáng)芽孢桿菌等)和反硝化菌(綠膿桿菌、脫氮副球菌等)，結(jié)果表明上述純菌能夠有效提高混凝土裂縫自修復(fù)性能[2-10]。然而，這些純菌培養(yǎng)條件嚴(yán)格，培養(yǎng)成本較高且礦化魯棒性較差。與純菌相比，混菌由不同菌落組成，各菌落之間可協(xié)同工作，能夠完成更多更復(fù)雜的任務(wù)，具有更好的礦化魯棒性，并且培養(yǎng)費(fèi)用僅為純菌的1/3 左右[11-13]。

綜上，本文提出了一種基于增強(qiáng)再生骨料固載混菌的裂縫自修復(fù)混凝土，以有效解決當(dāng)前微生物載體與混凝土基體兼容性差及費(fèi)用高的問題，并能夠顯著減小混凝土基體高堿環(huán)境對(duì)微生物的影響，確?；炷良婢吡己玫牧芽p自修復(fù)性能和足夠的力學(xué)性能。通過(guò)對(duì)增強(qiáng)再生骨料物理力學(xué)性能、混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度、混凝土裂縫自修復(fù)效果進(jìn)行試驗(yàn)研究，驗(yàn)證提出的以混菌增強(qiáng)再生骨料作載體方法的有效性，并結(jié)合礦化沉淀物微觀結(jié)構(gòu)分析揭示其自修復(fù)原理。

1 再生骨料固載混菌修復(fù)混凝土裂縫原理

再生粗骨料(RCA)表面附著有舊水泥砂漿，且在破碎過(guò)程中產(chǎn)生較多孔隙和微裂紋等缺陷，再生粗骨料的這些孔隙或微裂紋可以有效地固載和保護(hù)微生物，因此再生粗骨料可作為一種微生物載體制備裂縫自修復(fù)混凝土[15-17]。然而，再生粗骨料上述缺陷會(huì)顯著降低混凝土的工作性能和力學(xué)性能，并且再生粗骨料直接固載微生物仍會(huì)使其在一定程度上遭受混凝土基體高堿環(huán)境的影響。本文提出增強(qiáng)再生粗骨料固載微生物以解決上述問題，即首先對(duì)再生粗骨料進(jìn)行微生物礦化增強(qiáng)處理一段時(shí)間，然后以增強(qiáng)后再生粗骨料作為微生物載體制備裂縫自修復(fù)混凝土，以確保混凝土兼具良好的裂縫自修復(fù)性能和足夠的力學(xué)性能，并有效減小混凝土基體高堿環(huán)境對(duì)微生物的影響?；谠鰪?qiáng)再生粗骨料固載微生物的混凝土裂縫自修復(fù)原理見圖1?；炷灵_裂后，空氣和水通過(guò)裂縫部位進(jìn)入致使好氧嗜堿微生物蘇醒，微生物通過(guò)自身的新陳代謝功能分解營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(乳酸鈣)生成碳酸根離子，表面帶負(fù)電荷的菌體不斷螯合混凝土中游離的鈣離子，然后在堿性環(huán)境中以菌體細(xì)胞為成核位點(diǎn)與碳酸根離子進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)生成碳酸鈣沉淀[24]，沉淀物逐漸沉積填充裂縫，最終達(dá)到混凝土裂縫自修復(fù)的目的。

圖1 基于增強(qiáng)再生骨料(RA)固載微生物的混凝土裂縫自修復(fù)原理Fig.1 Crack self-healing mechanism of concrete incorporating bacteria into recycled aggregate (RA) with enhancement

此外，再生粗骨料的粒徑較大，在混凝土基體中粗骨料之間存在較大的間距，因此在裂縫部位修復(fù)過(guò)程中，再生粗骨料附近礦化沉積效率較高，生成的礦化沉淀物可能會(huì)堵塞微生物向遠(yuǎn)處裂縫部位的遷移通道，從而顯著降低遠(yuǎn)離再生粗骨料的裂縫部位礦化沉積效率[25]。為解決這一問題，提出額外摻入增強(qiáng)再生細(xì)骨料(RFA)固載微生物方法，確保載體更加均勻地分布于混凝土基體中，提高裂縫部位單位體積內(nèi)的微生物數(shù)量，使裂縫各部位均能達(dá)到較好的修復(fù)效果，從而進(jìn)一步提高混凝土的裂縫自修復(fù)能力。

2 試驗(yàn)概況

2.1 菌株及培養(yǎng)基

為了對(duì)比混菌和純菌礦化方法在裂縫部位礦化沉積能力，采用科式芽孢桿菌作為純菌?；炀鸀橐陨轿魇x中市污水處理廠活性污泥花園土壤為微生物源、并以乳酸為碳源在好氧條件下篩選得到，由于篩菌菌源取自處理生活污水的污水處理廠，沒有工業(yè)廢水的重金屬源引入，重金屬含量較少，且菌源經(jīng)過(guò)選擇性培養(yǎng)基的12 次傳代過(guò)程逐步被稀釋，因此可以忽略重金屬對(duì)混凝土裂縫自修復(fù)性能的不利影響?；炀Y選所用培養(yǎng)液和富集方法見文獻(xiàn)[26]。篩選完畢后，將目標(biāo)混菌用甘油冷凍保存?；炀图兙呐囵B(yǎng)過(guò)程為：首先將冷凍保存的混菌和純菌進(jìn)行活化，活化后的微生物參考好氧型微生物常規(guī)接種和培養(yǎng)方法進(jìn)行培養(yǎng)[13]，培養(yǎng)時(shí)采用的液體培養(yǎng)基為每升溶液包含氯化鈉10 g、酵母浸粉5 g 和胰蛋白胨10 g，并加入濃度為2 mol/L 的NaOH 溶液將其pH 值調(diào)節(jié)至7.0[27]。培養(yǎng)完畢后對(duì)其離心處理獲得菌泥，最后通過(guò)5 g/L 的酵母浸粉溶液對(duì)菌泥進(jìn)行重懸，以獲得菌懸液在600 nm 波長(zhǎng)處的光密度值(OD600值)為1.2 的菌液。

2.2 再生骨料增強(qiáng)處理

再生骨料為太原市某鍋爐廠房廢棄混凝土經(jīng)破碎、篩分得到的粗骨料和細(xì)骨料。在一定的骨料粒徑范圍內(nèi)，隨著骨料粒徑減小，其比表面積逐漸增大，從而固載微生物數(shù)量增多。參考文獻(xiàn)[2,16]中微生物載體的粒徑分布和GB/T 25177-2010[28]的相關(guān)規(guī)定，本文采用了粒徑為4.75～9.5 mm 的再生粗骨料。依據(jù)GB/T 25176-2010[29]的相關(guān)規(guī)定，采用了粒徑為1.18～4.75 mm 的再生細(xì)骨料。再生粗骨料和再生細(xì)骨料表觀密度分別為2 631和2 561 kg/m3，吸水率分別為7.4%和10.8%，壓碎指標(biāo)分別為16.5%和23.5%。采用混菌礦化和純菌礦化方法分別對(duì)再生骨料進(jìn)行增強(qiáng)處理，采用真空吸附和浸泡結(jié)合方法對(duì)骨料進(jìn)行增強(qiáng)處理，即先向再生骨料表面孔隙和微裂縫中吸附微生物，使其在浸泡處理時(shí)能夠?qū)橇先毕莶课贿M(jìn)行原位修復(fù)，以提高礦化增強(qiáng)效率。再生骨料增強(qiáng)處理過(guò)程為：首先將再生骨料放置入真空鍋，利用鍋內(nèi)外壓力差使菌液注入鍋內(nèi)，在-0.06 MPa 壓力下吸附20 min，然后放入65 g/L 的營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)(乳酸鈣)溶液中，使用濃度為2 mol/L 的NaOH 溶液調(diào)節(jié)營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)溶液pH 值至7.0，為了使?fàn)I養(yǎng)物質(zhì)溶液中的溶解氧濃度維持穩(wěn)定，需要隨時(shí)向溶液中通入氧氣，在預(yù)設(shè)的增強(qiáng)時(shí)間下對(duì)其進(jìn)行浸泡處理[27]。

2.3 混凝土配合比

水泥為太原市某廠42.5 級(jí)普通硅酸鹽水泥；砂子為普通河砂，其含泥量0.3%；減水劑為聚羧酸高性能減水劑；水為自來(lái)水；營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)采用乳酸鈣。如表1 所示，共設(shè)計(jì)6 個(gè)混凝土測(cè)試組，在進(jìn)行混凝土配合比設(shè)計(jì)時(shí)采用等質(zhì)量取代法[30]，即用再生骨料等質(zhì)量取代天然骨料，各測(cè)試組名稱如下：將采用天然骨料且僅摻入營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)制備的混凝土記為NAC，其制備時(shí)的拌合用水采用乳酸鈣溶液；將未經(jīng)微生物礦化增強(qiáng)的再生粗骨料制備的混凝土記為RCA-U/SHC，其制備時(shí)再生骨料先經(jīng)真空吸附混菌20 min 進(jìn)行微生物固載，拌合水采用乳酸鈣溶液；將經(jīng)混菌礦化增強(qiáng)3 天和7 天的再生粗骨料制備的混凝土分別記為RCAN3/SHC 和RCA-N7/SHC；將經(jīng)科氏芽孢桿菌礦化增強(qiáng)的再生粗骨料制備的混凝土記為RCA-A7/SHC；在摻入增強(qiáng)再生粗骨料同時(shí)額外摻加50%取代率增強(qiáng)再生細(xì)骨料固載混菌制備的混凝土記為RCAFN7/SHC。4 組摻入增強(qiáng)再生骨料的混凝土制備時(shí)直接摻加浸泡增強(qiáng)處理后的再生骨料作載體，其拌合用水使用增強(qiáng)骨料后剩余的乳酸鈣溶液。在混凝土裂縫自修復(fù)效果測(cè)試中各測(cè)試組試件尺寸均為直徑100 mm、高50 mm 的圓餅體。未經(jīng)微生物礦化增強(qiáng)再生粗骨料制備的RCA-U/SHC 基體中摻入微生物數(shù)量為9.3×106cell/cm3混凝土。為了考察其坍落度與抗壓強(qiáng)度，分別制作100 mm×100 mm×100 mm 的混凝土試件?；炷两?jīng)拌合后裝到試模內(nèi)，靜置24 h 后脫模，然后在(20±2)℃和95%濕度標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)28 天。

在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)存在人為估計(jì)因素，可能造成判斷矩陣不準(zhǔn)確，不一定使判斷矩陣的每一個(gè)要素滿足aik·akj=aij，因此需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，即計(jì)算一致性指標(biāo)CI是否滿足要求，如公式1。

表1 混凝土配合比(kg·m-3)Table 1 Mixing proportion of concrete (kg·m-3)

2.4 性能測(cè)試方法

為考察采用混菌礦化處理自修復(fù)混凝土骨料時(shí)不同增強(qiáng)時(shí)間對(duì)其吸水率和壓碎指標(biāo)的影響，將再生粗骨料和再生細(xì)骨料經(jīng)微生物礦化處理的時(shí)間分別設(shè)置為3 天、7 天和14 天。骨料經(jīng)增強(qiáng)處理結(jié)束后，將其取出放置到105℃的烘箱里烘干直至質(zhì)量不再發(fā)生改變，并依據(jù)GB/T 14685-2011[31]測(cè)試再生骨料吸水率和壓碎指標(biāo)。混凝土試塊經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28 天后，依據(jù)GB/T 50080-2016[32]和GB/T 50081-2019[33]分別測(cè)試自修復(fù)混凝土的坍落度與抗壓強(qiáng)度。依據(jù)GB/T 50081-2019[33]中的劈拉試驗(yàn)使混凝土產(chǎn)生裂縫，順著裂縫方向間隔10 mm 左右設(shè)置1 個(gè)裂縫觀測(cè)點(diǎn)并用有色筆標(biāo)記，從中選取25 組初始裂縫寬度在0.15～1.0 mm 范圍內(nèi)的裂縫部位作為裂縫寬度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，然后置入水中浸泡修復(fù)養(yǎng)護(hù)，分別在修復(fù)14 天和28 天后及時(shí)取出進(jìn)行裂縫寬度測(cè)量，測(cè)試其在不同修復(fù)時(shí)間下的裂縫自修復(fù)效果。由圖2 可見，各組混凝土初始裂縫寬度值可以較均勻地分布于0.15～1.0 mm 范圍內(nèi)。混凝土裂縫修復(fù)效果評(píng)價(jià)分別用混凝土裂縫修復(fù)率HP(已修復(fù)裂縫寬度與初始裂縫寬度比率)、裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率來(lái)表征?；炷亮芽p修復(fù)平均寬度采用以下公式計(jì)算：

圖2 裂縫初始寬度Fig.2 Initial crack width

式中，dt和N分別為修復(fù)時(shí)間為t時(shí)混凝土裂縫愈合寬度和總裂縫點(diǎn)數(shù)量。

混凝土裂縫完全修復(fù)率HPc的計(jì)算公式為

式中，Nc為完全修復(fù)的裂縫點(diǎn)數(shù)量。

與裂縫部位表觀分析相比，滲水性能測(cè)試可以更加直接、合理地反映混凝土裂縫自修復(fù)效果。為了更加合理地表征增強(qiáng)再生骨料固載混菌修復(fù)混凝土裂縫自修復(fù)性能，對(duì)養(yǎng)護(hù)14 天和28 天后的混凝土試件進(jìn)行了滲水系數(shù)測(cè)試，混凝土試件采用直徑150 mm、高度40 mm 的圓餅試塊?；炷翝B水系數(shù)測(cè)試采用Zhang 等[12]滲水裝置和滲水系數(shù)k計(jì)算方法，滲水裝置的蓄水截面直徑和靜水頭高度分別為150 mm 和85 mm，通過(guò)測(cè)量1 500 mL 水通過(guò)裂縫滲流完畢時(shí)間計(jì)算其滲水系數(shù)。為了考察再生骨料表面和混凝土裂縫部位礦化沉淀物的微觀結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，對(duì)兩個(gè)部位沉淀物進(jìn)行取樣并對(duì)其進(jìn)行掃描電子顯微鏡(SEM)和X射線衍射(XRD)分析。

3 試驗(yàn)結(jié)果及分析

3.1 增強(qiáng)再生骨料吸水率與壓碎指標(biāo)

圖3 為再生骨料經(jīng)混菌礦化處理時(shí)不同增強(qiáng)時(shí)間下的吸水率與壓碎指標(biāo)?？梢姡弘S著微生物礦化時(shí)間的延長(zhǎng)，再生粗骨料和再生細(xì)骨料的吸水率與壓碎指標(biāo)均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)。由圖3(a)可見：再生粗骨料增強(qiáng)14 天后的吸水率與壓碎指標(biāo)分別為4.3%、11.6%，與未經(jīng)微生物礦化處理的再生粗骨料對(duì)比分別降低了41.9%和29.7%。由圖3(b)可見：再生細(xì)骨料增強(qiáng)14 天后的吸水率與壓碎指標(biāo)分別為7.6%、18.7%，與未經(jīng)微生物礦化處理的再生細(xì)骨料對(duì)比分別降低了29.6%和20.4%。由圖3 還可見：當(dāng)增強(qiáng)時(shí)間小于3 天時(shí)，再生粗骨料壓碎指標(biāo)下降速度最快，超過(guò)3 天后，其下降速度放緩；當(dāng)增強(qiáng)時(shí)間小于7 天時(shí)，再生細(xì)骨料壓碎指標(biāo)和再生骨料吸水率的下降速度最快，超過(guò)7 天后，其下降速度放緩。由于增強(qiáng)處理時(shí)間過(guò)長(zhǎng)可能會(huì)顯著地減少骨料表面的微生物固載空間，因此，再生粗骨料和再生細(xì)骨料的合理增強(qiáng)時(shí)間建議取7 天。與未增強(qiáng)再生骨料相比，再生粗骨料經(jīng)混菌礦化處理7 天后吸水率與壓碎指標(biāo)分別下降了27%和20%，再生細(xì)骨料分別下降了23.1%和15.9%。綜上，再生骨料經(jīng)混菌礦化處理后，其物理力學(xué)性能能夠得到有效提高，并且再生骨料的合理增強(qiáng)時(shí)間為7 天。

圖3 增強(qiáng)RA 吸水率與壓碎指標(biāo)Fig.3 Water absorption and crushing index of enhanced RA

3.2 混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度

自修復(fù)混凝土采用增強(qiáng)再生骨料作載體后的坍落度與抗壓強(qiáng)度見圖4?？梢姡号c對(duì)照組NAC對(duì)比，RCA-U/SHC 坍落度與抗壓強(qiáng)度分別降低了33.3%和21.2%，表明采用未經(jīng)微生物礦化處理的再生粗骨料作載體會(huì)顯著降低混凝土的坍落度與抗壓強(qiáng)度；與RCA-U/SHC 相比，RCA-A7/SHC 坍落度與抗壓強(qiáng)度分別提高了5%和7.9%，而RCAN7/SHC 坍落度與抗壓強(qiáng)度分別提高了20%和12.9%，可見采用微生物增強(qiáng)處理后的再生粗骨料作載體，混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度得到顯著提高，并且采用混菌增強(qiáng)再生骨料作載體呈現(xiàn)出比純菌增強(qiáng)再生骨料作載體更加良好的提高效果。由圖4還可見，與RCA-N7/SHC 相比，RCA-FN7/SHC 坍落度與抗壓強(qiáng)度僅降低了8.3%和2.1%，并且其坍落度與抗壓強(qiáng)度仍明顯大于RCA-U/SHC，表明混凝土中額外摻入固載混菌的增強(qiáng)再生細(xì)骨料作載體不會(huì)顯著降低其坍落度與抗壓強(qiáng)度。綜上，采用固載混菌的增強(qiáng)再生骨料會(huì)顯著地提高混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度，額外摻入增強(qiáng)再生細(xì)骨料對(duì)混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度影響較小。

圖4 混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度Fig.4 Slump and compressive strength of concrete

3.3 混凝土裂縫自修復(fù)效果

3.3.1 混凝土裂縫部位表觀分析

不同修復(fù)時(shí)間下混凝土裂縫部位修復(fù)過(guò)程表觀圖見圖5?？梢姡罕M管未摻入微生物的NAC 具有一定的裂縫自愈合能力，但裂縫寬度較大時(shí)，其裂縫表面修復(fù)能力非常有限；與NAC 相比，養(yǎng)護(hù)28 天后，基于微生物礦化的混凝土裂縫均能夠被較好地修復(fù)，裂縫表面被碳酸鈣晶體有效填補(bǔ)；與以純菌增強(qiáng)再生骨料作載體的RCA-A7/SHC 相比，以混菌增強(qiáng)再生骨料作載體的RCA-N7/SHC在裂縫部位的礦化沉淀物更加飽滿，沉淀物呈現(xiàn)出一些凸起現(xiàn)象；經(jīng)過(guò)14 天修復(fù)養(yǎng)護(hù)，RCAFN7/SHC 裂縫基本被完全修復(fù)，且修復(fù)裂縫寬度可達(dá)到1.26 mm，該值高于絕大多數(shù)學(xué)者所報(bào)道的基于微生物礦化的混凝土裂縫自修復(fù)寬度，表明額外摻入固載混菌的再生細(xì)骨料作載體能夠顯著改善混凝土的裂縫自修復(fù)能力。

圖5 混凝土裂縫修復(fù)過(guò)程表觀圖Fig.5 Microscopic images of crack-healing processes of concrete specimens

3.3.2 混凝土裂縫修復(fù)效果量化分析

不同修復(fù)時(shí)間下混凝土裂縫自修復(fù)效果量化分析見圖6?？梢姡弘S著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，各測(cè)試組混凝土裂縫修復(fù)率均逐漸提高，完全修復(fù)裂縫觀測(cè)點(diǎn)數(shù)量也逐漸增多，經(jīng)28 天修復(fù)后對(duì)照組NAC 裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率分別為0.19 mm 和40%，而基于純菌礦化的混凝土裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率分別達(dá)到0.26 mm和56%，與NAC 相比，其分別提高了36.8%和40%?；诨炀V化的混凝土裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率均達(dá)到0.28 mm 和60%以上，與NAC 相比，其分別提高了47.4%和50%。上述結(jié)果表明微生物礦化可以顯著提高混凝土裂縫自修復(fù)能力，并且混菌礦化方法呈現(xiàn)出比純菌礦化更優(yōu)異的混凝土裂縫自修復(fù)能力。

圖6 不同修復(fù)時(shí)間下混凝土裂縫自修復(fù)效果Fig.6 Self-healing capacity of concrete cracks at different healing time

由圖6 可見：經(jīng)28 天修復(fù)后，RCA-U/SHC、RCA-N3/SHC 和RCA-N7/SHC 的裂縫修復(fù)平均寬度分別為0.34、0.3 和0.28 mm，其裂縫完全修復(fù)率分別為72%、68%和60%，RCA-N7/SHC 裂縫修復(fù)平均寬度和完全修復(fù)率分別比RCA-U/SHC 降低了17.6%和16.7%，表明與再生粗骨料直接固載混菌相比，增強(qiáng)再生粗骨料固載混菌會(huì)小幅度地降低混凝土的裂縫自修復(fù)能力，并且隨著骨料增強(qiáng)時(shí)間的延長(zhǎng)，混凝土裂縫自修復(fù)能力逐漸降低；經(jīng)14 天修復(fù)后，RCA-FN7/SHC 的裂縫平均寬度和裂縫完全修復(fù)率分別為0.21 mm 和36%，其值比RCA-N7/SHC 分別提高了5%和12.5%；經(jīng)28 天修復(fù)后，RCA-FN7/SHC 的裂縫平均寬度和裂縫完全修復(fù)率分別為0.3 mm 和65.4%，其值比RCAN7/SHC 分別提高了7.1%和9%，表明額外摻入固載混菌的再生細(xì)骨料能夠進(jìn)一步改善混凝土的裂縫自修復(fù)效果。

綜上，以混菌增強(qiáng)再生粗骨料作載體的方法可以有效改善混凝土的修復(fù)效果，與直接以再生粗骨料作載體相比，再生粗骨料增強(qiáng)處理會(huì)較小幅度地減弱混凝土的修復(fù)效果，這可能是由于：再生粗骨料經(jīng)礦化增強(qiáng)處理后，生成的礦物沉淀逐步修復(fù)填充了骨料表面孔隙和微裂縫，盡管再生骨料物理力學(xué)性能得到有效提高，但同時(shí)在一定程度上也減少了骨料表面的微生物固載空間，致使相同骨料摻量下載入的微生物數(shù)量減少，從而導(dǎo)致混凝土裂縫自修復(fù)能力出現(xiàn)降低。與以純菌增強(qiáng)再生骨料作載體相比，以混菌增強(qiáng)再生骨料作載體的混凝土呈現(xiàn)出更優(yōu)異的裂縫自修復(fù)效果[27]，這可能是由于混菌為多種菌落組成的微生物群，能夠比純菌適應(yīng)更多變的環(huán)境、承擔(dān)更復(fù)雜的任務(wù)，在相同環(huán)境條件下，混菌能夠呈現(xiàn)更高的礦化沉積能力，從而有效填充混凝土裂縫部位。額外摻入混菌增強(qiáng)處理的再生細(xì)骨料作載體能夠進(jìn)一步改善混凝土的修復(fù)效果，這可能是由于粗骨料之間存在一定的間距，裂縫產(chǎn)生后，與粗骨料間距較小的裂縫部位修復(fù)效率更高，而與粗骨料間距較大部位修復(fù)效率較低，而固載微生物的再生細(xì)骨料可以均勻分布于粗骨料之間，可以在一定程度上提高裂縫部位單位體積內(nèi)的微生物數(shù)量，從而在一定程度上提高混凝土自修復(fù)能力。

3.3.3 混凝土抗?jié)B水性能

為了進(jìn)一步驗(yàn)證增強(qiáng)再生骨料固載混菌修復(fù)混凝土裂縫的有效性，考察了不同修復(fù)時(shí)間下NAC、RCA-N7/SHC 和RCA-FN7/SHC 的抗?jié)B水性能，不同修復(fù)時(shí)間下3 個(gè)測(cè)試組混凝土滲水系數(shù)見圖7。可見：隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，未摻入混菌的對(duì)照組NAC 滲水系數(shù)逐漸減小，經(jīng)28 天修復(fù)后其滲水系數(shù)比未修復(fù)時(shí)降低了32.1%，表明普通混凝土具有較低的裂縫自愈合能力，這與其裂縫寬度方向自修復(fù)效果量化分析結(jié)果相吻合；與NAC 相比，基于混菌礦化的RCA-N7/SHC 和RCA-FN7/SHC 滲水系數(shù)均呈現(xiàn)更顯著的降低趨勢(shì)，經(jīng)28 天修復(fù)后其滲水系數(shù)比未修復(fù)時(shí)分別降低了99.7%和99.9%，表明增強(qiáng)再生骨料固載混菌方法顯著減少了混凝土裂縫部位滲水連通孔隙，混凝土裂縫得到有效修復(fù)，進(jìn)一步驗(yàn)證了本文提出的混凝土自修復(fù)方法有效性。由圖7 還可見，經(jīng)過(guò)14 天修復(fù)后，RCA-N7/SHC 和RCA-FN7/SHC滲水系數(shù)比未修復(fù)時(shí)分別降低了82.7%和87%，RCA-FN7/SHC 滲水系數(shù)比RCA-N7/SHC 低4.3%，表明額外摻入固載混菌的再生細(xì)骨料可以有效地改善混凝土裂縫自修復(fù)能力，從而更顯著地提高其抗?jié)B水性能，這與其裂縫寬度方向自修復(fù)效果量化分析結(jié)果相吻合。與普通混凝土相比，隨著修復(fù)時(shí)間的延長(zhǎng)，基于增強(qiáng)再生骨料固載微生物的自修復(fù)混凝土滲水系數(shù)下降幅度更大，這可能是由于：經(jīng)過(guò)28 天修復(fù)養(yǎng)護(hù)后，普通混凝土裂縫修復(fù)效果較差，而基于微生物礦化的自修復(fù)混凝土裂縫基本被完全修復(fù)，在相同時(shí)間內(nèi)水流通過(guò)混凝土裂縫部位滲出量較小，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能通過(guò)裂縫完全滲流完畢，從而自修復(fù)混凝土呈現(xiàn)出較低的滲流系數(shù)和良好的抗?jié)B水性能。

圖7 不同修復(fù)時(shí)間下混凝土滲水系數(shù)kFig.7 Permeability coefficients kof concrete at different healing time

3.4 微生物礦化產(chǎn)物分析

3.4.1 SEM 分析

微生物礦化增強(qiáng)處理再生粗骨料和再生細(xì)骨料表面SEM 圖像分別見圖8 和圖9。由圖8 可見：再生粗骨料未經(jīng)微生物礦化處理時(shí)的表面存在較多的孔隙和微裂縫，而再生粗骨料經(jīng)微生物礦化處理7 天后的表面覆蓋一層密實(shí)、分布均勻的礦物沉淀，沉淀物可以較好地填充骨料表面的孔隙和微裂縫，從而骨料的物理力學(xué)性能可以得到提高；純菌礦化方法在骨料表面生成的晶體形狀不規(guī)則，晶體粒徑差別較大，而混菌礦化增強(qiáng)方法生成的晶體呈規(guī)則塊狀，晶體粒徑差別較小，并且晶體之間相互緊密連接、堆積；與純菌礦化方法對(duì)比，再生骨料采用混菌礦化方法處理后在其表面能夠生成厚度更大、連接更緊密的碳酸鈣沉淀，從而在宏觀角度表現(xiàn)為更加高效地增強(qiáng)再生粗骨料的物理力學(xué)性能。這可能是由于：與純菌相比，混菌中存在微生物可以將大分子碳源代謝轉(zhuǎn)換為更易于微生物利用的小分子碳源[34]。因此，在相同環(huán)境條件下，混菌能夠呈現(xiàn)更高的礦化沉積能力，生成的碳酸鈣沉淀更多，碳酸鈣晶體與晶體之間相互連接、相互堆積，沉淀物更密實(shí)、連接更緊密，生成的晶體更加致密；而以小分子碳源進(jìn)行代謝可能會(huì)導(dǎo)致生成的碳酸鈣更加規(guī)則，混菌礦化對(duì)裂縫部位碳酸鈣晶體分布的影響有待進(jìn)一步研究。由圖9 可見：未經(jīng)微生物礦化處理時(shí)再生細(xì)骨料表面存在較多的孔洞或缺陷，而經(jīng)混菌礦化處理7 天后再生細(xì)骨料表面覆蓋一層碳酸鈣沉淀，該沉淀可以有效修復(fù)骨料表面缺陷，從而提高其物理力學(xué)性能。

圖8 再生粗骨料(RCA)表面礦化沉淀的SEM 圖像Fig.8 SEM images of bio-deposition on the surface of recycled coarse aggregate (RCA)

圖9 再生細(xì)骨料(RFA)表面礦化沉淀的SEM 圖像Fig.9 SEM images of bio-deposition on the surface of recycled fine aggregate (RFA)

混菌和純菌礦化方法在混凝土裂縫部位生成的礦物晶體SEM 分析圖像見圖10，圖中分別給出了1 000 倍和3 000 倍放大倍數(shù)下晶體微觀形貌?？梢姡夯炀c純菌礦化方法在混凝土裂縫部位的礦物沉淀晶體表面存在大量微生物誘導(dǎo)礦化沉積過(guò)程中引起的孔洞，這與其他學(xué)者報(bào)道的混凝土裂縫部位晶體表面孔洞相吻合[12,35]；混菌礦化方法在裂縫部位生成的礦物晶體呈規(guī)則方塊狀，晶體粒徑約10 μm，晶體相互之間緊密連接、堆積；純菌礦化方法在裂縫部位生成的礦物晶體形狀不規(guī)則，并且晶體之間存在一些間隙。綜上，混菌礦化方法比純菌礦化在混凝土裂縫部位生成的沉淀物更加密實(shí)，能夠更有效地填充混凝土裂縫。

圖10 不同礦化微生物在混凝土裂縫部位沉淀物的SEM 圖像Fig.10 SEM images of crack-filling precipitations induced by different cultures

3.4.2 XRD 分析

不同微生物礦化沉淀物XRD 分析譜見圖11，圖中NB 和AB 分別為混菌和純菌礦化沉淀物的XRD 分析譜?？梢姡夯炀图兙谠偕橇媳砻娴牡V化沉淀物XRD 譜強(qiáng)峰2θ 值均為29.54°，而在混凝土裂縫部位的礦化沉淀物強(qiáng)峰2θ 值分別為29.54°和29.36°，這些強(qiáng)峰2θ 值與純方解石強(qiáng)峰吻合良好；混菌與純菌在再生骨料表面和裂縫部位的礦化沉淀物XRD 譜其他峰值位置相差很小，XRD 譜峰值均與標(biāo)準(zhǔn)PDF 卡片純方解石型晶體峰值對(duì)應(yīng)良好，表明混菌和純菌在再生骨料表面和裂縫部位的礦化產(chǎn)物均為方解石型碳酸鈣。

圖11 不同微生物礦化沉淀物的XRD 圖譜Fig.11 XRD patterns of precipitations induced by different cultures

4 結(jié) 論

(1) 再生骨料的吸水率與壓碎指標(biāo)隨混菌礦化處理時(shí)間的延長(zhǎng)逐漸降低，其合理增強(qiáng)時(shí)間為7 天。再生粗骨料經(jīng)增強(qiáng)處理7 天后吸水率與壓碎指標(biāo)分別降低了27%和20%，由其制備的混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度提高幅度分別為20%和12.9%；再生細(xì)骨料吸水率與壓碎指標(biāo)分別下降了23.1%和15.9%，并且額外摻入增強(qiáng)再生細(xì)骨料對(duì)混凝土坍落度與抗壓強(qiáng)度影響較小。

(2) 與以純菌增強(qiáng)再生骨料作載體相比，以混菌增強(qiáng)再生骨料作載體的混凝土修復(fù)效果更優(yōu)異，經(jīng)28 天修復(fù)后混凝土裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率均達(dá)到0.28 mm 和60%以上，與普通混凝土相比，可分別提高47.4%和50%以上，其滲水系數(shù)比未修復(fù)時(shí)降低了99.7%以上。額外摻入混菌增強(qiáng)處理的再生細(xì)骨料作載體能夠進(jìn)一步改善混凝土的修復(fù)效果，裂縫修復(fù)最大寬度可達(dá)到1.26 mm，與只以混菌增強(qiáng)再生粗骨料作載體的混凝土相比，其裂縫修復(fù)平均寬度和裂縫完全修復(fù)率分別提高了7.1%和9%。

(3) 與純菌礦化方法相比，再生骨料采用混菌礦化方法處理后在其表面和裂縫部位生成的碳酸鈣晶體形狀更規(guī)則，沉淀物更密實(shí)、連接更緊密，并且晶體類型均為方解石。