微生物修复混凝土裂缝的力学性能试验研究

周 耀，王若琪，刘 斌，门 杰，李晓敏

(1.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 102206；2.山西交通控股集团有限公司大同南高速公路分公司，山西 大同 037400；3.北京航空航天大学 空间与环境学院，北京 102206)

0 引言

混凝土裂缝严重影响结构的力学性能和耐久性能，是混凝土结构的一种常见病害，并伴随有混凝土碳化[1-2]、钢筋锈蚀[3-4]、冻融破坏[5-6]和渗漏溶蚀[7]等病害。混凝土裂缝常用的修复方法有灌水泥浆[8]或环氧树脂[9]的堵漏法、表面封闭法[10]、FRP[11]或粘贴钢板加固[12]等结构加固方法，但是这些方法均有一定的适用范围，存在一定的局限性。汉克·约克斯教授利用微生物诱导沉积碳酸钙(Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP)技术修复混凝土裂缝取得成功[13]。由于其沉积材料碳酸钙与混凝土材料兼容性好、耐久性高，具备经济环保的特点[14]，得到广泛关注。

抗压强度和抗折强度是评价混凝土力学性能的两个主要指标。李沛豪[15]进行裂缝生物沉积修复后的混凝土试件抗压和弯曲破坏试验。经过修复后的混凝土试件抗压强度和三点弯曲跨中极限荷载均得到提高。周梦君[16]采用膨胀珍珠岩固载自修复剂好氧嗜碱微生物。试验研究表明使用膨胀珍珠岩固载微生物后，混凝土裂缝的自修复能力得到有效提高。钱春香[17]采用一种能够矿化生产碳酸钙的固碳菌，将其与底物配制成自修复剂在水泥基成型阶段直接加入到基体中，14 d后掺有微生物的水泥基材料的抗压、抗折强度均提高。目前关于微生物裂缝修复的研究主要集中于自修复混凝土的研究，而对细小裂缝的修复研究较少。但细小裂缝不可避免地会有降低抗压强度和抗折强度，这在工程应用中不可忽视。于是对细小裂缝的修复及修复后效果评价的研究具有较大意义。本研究用不锈钢插片制作裂缝，采用注射器滴加法修复裂缝，通过抗压强度和抗折强度指标评价修复后的效果。

1 微生物修复混凝土裂缝原理

微生物诱导沉积碳酸钙发生的化学反应可以简化为[18]：

(1)

Ca2++Cell→Cell-Ca2+，

(2)

(3)

2 矿化沉积试验

配置培养基，高温灭菌，放置在超净工作台冷却至室温，接种巴氏芽孢杆菌菌液，放置在生化培养箱中，恒温培养24 h。分别配置0.5 mol/L的乙酸钙溶液和硝酸钙溶液，取(1)100 mL乙酸钙溶液和100 mL菌液至锥形瓶中，分别将pH调节为8，9，10；(2)100 mL硝酸钙溶液和100 mL菌液至锥形瓶中，调节pH至9.5；放置在生化培养箱中，恒温培养。沉淀完成后，经离心、干燥、称重得碳酸钙沉淀质量，并通过XRD及SEM确定沉淀晶型及形貌。

矿化结果发现乙酸钙作为钙源时，沉淀速率显著变缓，沉淀周期长且生成的碳酸钙沉淀少，对比不同的pH条件发现，碱性环境更有利于沉淀的生成。当以硝酸钙作为钙源时，混合后很快形成沉淀，溶液迅速变浑浊，肉眼可以观察到沉淀的生成，溶液中的钙离子几乎100%转化为沉淀，沉淀过程24 h可进行80%，48 h即可接近100%。对比两种钙源发现，硝酸钙为钙源时沉积速率更快，Ca2+利用率更高，达95%以上，而乙酸钙为钙源时，Ca2+利用率显著降低，不到70%(见图1)，且混凝土裂缝微环境中pH约为9.5，在此条件下，硝酸钙沉淀情况良好，因此后续试验选用硝酸钙作为钙源。

图1 乙酸钙和硝酸钙作为钙源时的沉淀率

对生成的碳酸钙沉淀进行XRD测定和SEM观察，从沉淀形貌来看，生成的碳酸钙主要呈块状及球形，在晶体表面可观察到明显的菌体附着，证实了生物矿化作用的存在。对沉淀成分进行分析发现，生成的碳酸钙沉淀主要为方解石，同时也含有少量球霰石(见图2)。

图2 利用巴氏芽孢杆菌沉积得到的碳酸钙的XRD图

3 裂缝修复力学性能试验

试验用混凝土按照强度等级为 C30 进行制作，其材料配合比为水∶水泥∶砂子∶碎石=0.43∶1∶ 1.25∶2.91。对于带裂缝的混凝土而言，抗压强度和抗折强度不可避免地会有降低，为了评价修复效果，进行了完好混凝土、带裂缝混凝土,以及修复混凝土的对比试验。抗压强度和抗折强度试验参照国家标准《普通混凝土力学性能试验方法标准》(GB/T 50081—2002)进行。

3.1 裂缝修复混凝土抗压强度试验

制作混凝土裂缝宽度0.5 mm，长度50 mm，深度10 mm和20 mm的100 mm×100 mm×100 mm混凝土立方体试件12个。混凝土立方体试件如表1所示。混凝土立方体试件其中6个完好试件分别测成型7 d和28 d混凝土抗压强度。另外12个试件，每组平行试件3个，研究不同裂缝深度对修复效果的影响。其中3个裂缝深度10 mm，裂缝宽度0.5 mm试件，3个裂缝深度20 mm，裂缝宽度0.5 mm试件不修复，用于对比裂缝修复前后混凝土抗压强度变化。

表1 抗压强度试验试件制备

为了减少菌液和硝酸钙溶液损耗，混凝土裂缝四周涂有一圈玻璃胶。在试验过程中连续均匀地加荷，加荷取0.5 MPa/s。3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值，精确至0.1 MPa。试验值乘以修正系数0.95作为混凝土抗压强度值。加载时，裂缝位于侧面，水平放置。

对于带裂缝的混凝土立方体试件，混凝土抗压强度随深度增加而减低。生物沉积修复后，抗压强度均提高，提高幅度随裂缝深度的增加而增大，裂缝深度10 mm和20 mm分别提高为2.2%和8.0%,如表2所示。修复后的混凝土抗压强度低于完好混凝土强度。

表2 裂缝修复前后混凝土抗压强度

3.2 裂缝修复混凝土抗折强度试验研究

制作混凝土裂缝宽度0.5 mm，长度50 mm，深度20 mm的150 mm×150 mm×550 mm混凝土棱柱体试件6个，人工裂缝位于试件中央，与短边平行；完好试件3个，混凝土棱柱体试件如表3所示。每组平行试件3个，其中3个裂缝深度20 mm，裂缝宽度0.5 mm试件不修复，研究混凝土修复前后以及未开裂时抗折强度的变化。

表3 抗折强度试验试件制备

在试验过程中连续均匀地加荷，加荷速率取0.05 MPa/s。3个试件测值的算术平均值作为该组试件的强度值精确至0.1 MPa。裂缝所在面位于于梁下表面。两个加载点间距150 mm，两个支座间距450 mm。

利用巴氏芽孢杆菌溶液和硝酸钙溶液修复混凝土裂缝取得良好效果。裂缝深度20 mm的混凝土裂缝修复后抗折强度提高5.9%,如表4所示。但是修复后的混凝土抗压强度和抗折强度均低于完好混凝土强度。

表4 裂缝修复前后混凝土抗折强度

4 结论

(1)乙酸钙作为钙源时，沉淀周期长且生成的碳酸钙沉淀少，碱性环境更有利于沉淀的生成。当以硝酸钙作为钙源时，混合后很快形成沉淀，生成的碳酸钙沉淀主要为方解石，同时也含有少量球霰石。

(2)利用巴氏芽孢杆菌溶液和硝酸钙溶液修复混凝土裂缝取得良好效果。裂缝深度10 mm和20 mm的混凝土试块裂缝修复后抗压强度分别提高为2.2%和8.0%，裂缝深度20 mm的混凝土试块裂缝修复后抗折强度提高5.9%。但是修复后的混凝土抗压强度和抗折强度均低于完好混凝土强度。