(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司, 湖南 岳陽(yáng) 414000)

細(xì)菌水泥混凝土路面修補(bǔ)材料性能實(shí)驗(yàn)研究

黃建勝

(岳陽(yáng)市公路橋梁基建總公司, 湖南 岳陽(yáng) 414000)

優(yōu)選了一種芽孢桿菌，將適量濃度的該細(xì)菌與其他改性材料摻入到水泥基材料中制備出一種早強(qiáng)高強(qiáng)水泥混凝土路面修補(bǔ)材料。首先，通過力學(xué)強(qiáng)度測(cè)試，試驗(yàn)結(jié)果表明：在控制水灰比一定的條件下，濃度為2.5 cfu/mL的加菌水泥砂漿試件力學(xué)性能最佳；其次，通過掃描電子顯微鏡SEM，發(fā)現(xiàn)芽孢桿菌的摻入對(duì)鈣礬石等水化產(chǎn)物的形成具有促進(jìn)作用；再次，試驗(yàn)證明了芽孢桿菌的摻入能在不影響施工和易性的前提下能大幅提高水泥砂漿的粘結(jié)強(qiáng)度和水泥混凝土的早期抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度。特別地，在9 h時(shí)的強(qiáng)度可達(dá)到設(shè)計(jì)配合比的80%以上，非常適用于水泥混凝土道路常見病害的快速修補(bǔ)。最后，設(shè)置了模擬干燥開裂試驗(yàn)，結(jié)果表明細(xì)菌混凝土抗裂性能良好。

水泥混凝土路面; 細(xì)菌; 修補(bǔ)劑; 水化反應(yīng); 力學(xué)強(qiáng)度

0 前言

過去的二十幾年是我國(guó)公路建設(shè)的蓬勃發(fā)展期，時(shí)至今日，貫穿全國(guó)的高速公路網(wǎng)已經(jīng)基本建成，公路總里程突破450萬(wàn)km。其中，高速公路總里程將近11萬(wàn)km，基本上覆蓋了我國(guó)26個(gè)省、市的90%以上中、小型城市。算上二級(jí)公路在內(nèi)的高等級(jí)公路里程突破65萬(wàn)km，鄉(xiāng)村公路總里程接近400萬(wàn)km[1]。水泥混凝土路面作為最主要的公路路面鋪裝形式之一，更具使用性能好，造價(jià)成本低等技術(shù)特點(diǎn)，備受公路建設(shè)部門的青睞。有報(bào)道稱早在2011年，我國(guó)水泥混凝土路面總里程數(shù)已接近138萬(wàn)km，約占公路總里程的1/5之多，里程數(shù)名列世界第一。然而，水泥混凝土作為一種親水性的剛性材料，在復(fù)雜多變的自然荷載環(huán)境下容易導(dǎo)致路面發(fā)生裂縫、坑槽、沉陷、碎裂等病害，水泥混凝土路面快速修補(bǔ)材料也因此應(yīng)運(yùn)而生。

針對(duì)水泥混凝土路面常用的修補(bǔ)方法[2]一般可歸結(jié)為兩類，其一是采用有機(jī)類修補(bǔ)材料[3-9]，具有代表性的如用來(lái)加鋪薄層罩面的瀝青質(zhì)材料和封閉裂縫用的有機(jī)高聚物等。有機(jī)材料修補(bǔ)法雖然具有使用便捷， 但在實(shí)際應(yīng)用過程中存在著較多的技術(shù)問題， 如需要加熱的儀器與設(shè)備、與原路面黏結(jié)性較差、新舊材料剛度不一導(dǎo)致荷載傳遞不均、易老化、易出現(xiàn)反射裂縫、表面使用功能低、新舊材料存在色差等。另一種傳統(tǒng)修補(bǔ)方法[10-14]是采用高于或者與舊路中水泥混凝土強(qiáng)度相當(dāng)?shù)乃嗷炷羴?lái)對(duì)破壞的結(jié)構(gòu)或部位進(jìn)行針對(duì)性的修補(bǔ)。該方法雖然改善了不同材質(zhì)帶來(lái)的受力與導(dǎo)熱均一性問題，但卻存在著養(yǎng)護(hù)時(shí)間長(zhǎng)、材料收縮大，與原路面粘結(jié)力不足以及界面過于薄弱等問題。因此，一種優(yōu)質(zhì)的水泥混凝土道路用修補(bǔ)材料的研發(fā)，正為公路管理部門所期待，從事相關(guān)方面的試驗(yàn)研究具有良好的科研價(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本研究打破傳統(tǒng)的修補(bǔ)技術(shù)方法，通過利用篩選得到的芽孢桿菌制備出一種新型水泥混凝土修補(bǔ)材料，該材料具有凝結(jié)速度快、早期強(qiáng)度高、性能穩(wěn)定、施工便捷等技術(shù)特點(diǎn)，適用于水泥混凝土常見病害的修復(fù)和預(yù)防等。

1 材料與組成

1.1 水泥

水泥為湖南平塘公司生產(chǎn)的P.O 52.5和42.5號(hào)水泥，其相關(guān)性能指標(biāo)參考表1。

表1 水泥基本性能參數(shù)水泥品種凝結(jié)時(shí)間/min抗折強(qiáng)度/MPa抗壓強(qiáng)度/MPa初凝終凝3d7d28d3d7d28dPO4251572164．45．86．6224249PO5251651955．46．88．929．541．361．9

1.2 骨料

細(xì)骨料為中砂，細(xì)度模數(shù) 2.7，見表2；粗骨料為連續(xù)級(jí)配 5～20 mm 的卵石。

表2 砂的技術(shù)指標(biāo)含泥量/%泥塊含量/%細(xì)度模數(shù)10527

1.3 菌種

轉(zhuǎn)基因芽孢桿菌(Transgenic Bacillus)，由普通芽孢細(xì)菌轉(zhuǎn)基因得到，該菌種對(duì)人畜無(wú)毒無(wú)害，能在堿性的水泥混凝土環(huán)境下生長(zhǎng)，脫離堿性環(huán)境便停止繁殖，不污染環(huán)境。

1.4 培養(yǎng)基

有蔗糖、玉米粉、酵母提取物，蒸餾水等。

2 細(xì)菌濃度的優(yōu)選與砂漿粘結(jié)性能測(cè)定

2.1 細(xì)菌濃度的優(yōu)選

采用P.O 52.5號(hào)的水泥，參考《水泥膠砂強(qiáng)度檢驗(yàn)方法(ISO法)》[15]，水泥用量C∶標(biāo)準(zhǔn)砂S∶水H為1∶3∶0.5，水泥取450 g，將培養(yǎng)的細(xì)菌摻入水泥，得到細(xì)菌修補(bǔ)砂漿，其實(shí)驗(yàn)配比及流動(dòng)度參數(shù)如表3所示，需要注意的是為了體現(xiàn)對(duì)比效果，需在空白對(duì)照組中加入等量同濃度的培養(yǎng)基溶液。

表3 砂漿流動(dòng)度檢測(cè)結(jié)果編號(hào)C∶S∶H濃度/(cfu·mL-1)流動(dòng)度/mmBLANK1∶3∶050170TB-11∶3∶0515168TB-21∶3∶052166TB-31∶3∶0525169TB-41∶3∶053169

參考相關(guān)試驗(yàn)規(guī)范，制備上述BLANK組和TB組的4個(gè)試件，并在規(guī)定的條件下進(jìn)行養(yǎng)護(hù)至28 d，分別測(cè)試各組試件6 h、9 h、1 d和28 d抗折與抗壓強(qiáng)度，記錄、對(duì)比，繪圖分析見圖1所示。

圖1 砂漿的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律

從圖1中可以看出: 抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度增加趨勢(shì)大體相同，早期0～24 h過程中，復(fù)合改性砂漿試件力學(xué)強(qiáng)度增長(zhǎng)較快。同時(shí)可以看出，在養(yǎng)護(hù)1 h時(shí)，TB — 1到TB — 4中的4個(gè)試驗(yàn)組的抗折強(qiáng)度均明顯高于BLANK組；到1 d后，試驗(yàn)組中抗折強(qiáng)度最高的TB — 3達(dá)到7.5 MPa，而BLANK組的僅為其大小的54.7%。分析其原因可能是，帶負(fù)電的微生物細(xì)胞表面從外部環(huán)境中吸引像 Ca2+這樣的陽(yáng)離子，使其細(xì)胞表面不斷聚集，進(jìn)而加快了水化速率，促進(jìn)了鈣礬石的形成。24 h以后到28 d，曲線較為平順，抗折強(qiáng)度增長(zhǎng)緩慢，各試驗(yàn)組的抗壓強(qiáng)度值均在1.32倍以上。

綜合考慮圖1中所示的抗折抗壓力學(xué)性能以及上述表1和表3中凝結(jié)時(shí)間以及流動(dòng)度等施工性能參數(shù)，優(yōu)選濃度為2.5 cfu/mL的TB — 3為備用修補(bǔ)劑。

2.2 掃描電子顯微鏡分析(SEM)

為探明TB-3修補(bǔ)材料給水泥水化反應(yīng)帶來(lái)的影響，制備了TB — 3水泥試塊，養(yǎng)護(hù)至某一齡期后放置于掃描電子顯微鏡下放大10000倍觀測(cè)其結(jié)構(gòu)形態(tài)。

對(duì)比圖2和圖3: 不難看出TB — 3組水泥漿體在6 h時(shí)存在大量的針柱狀的水化產(chǎn)物鈣礬石和C-S-H 凝膠聚集在結(jié)構(gòu)表面。分析其原因可以從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：其一，TB — 3中芽孢桿菌可能分泌某種膠凝特性成分(如活性酶)，在水化反應(yīng)的早期生成了AFt、AFm 和水化鋁酸三鈣等能提高水泥早期強(qiáng)度的水化產(chǎn)物；其次，TB — 3中Ca2+在細(xì)胞周邊聚集加速催化了水泥的水化反應(yīng)，鈣礬石的數(shù)量隨之增加；再次，TB-3中的細(xì)菌或者分泌物對(duì)水化反應(yīng)具有晶核作用(又可稱為“晶核效應(yīng)”)，使得C3S 的水化速率明顯加快。

a)為6 h時(shí)的掃描電鏡譜圖 b)為28 d時(shí)的掃描電鏡譜圖

a)為6 h時(shí)的掃描電鏡譜圖 b )為28 d時(shí)的掃描電鏡譜圖

2.3 粘結(jié)強(qiáng)度測(cè)定

修補(bǔ)材料的粘結(jié)強(qiáng)度是水泥混凝土道路修補(bǔ)過程中必須考慮的關(guān)鍵因素，優(yōu)良的粘結(jié)強(qiáng)度直接關(guān)系著修補(bǔ)質(zhì)量和壽命。為客觀反映粘結(jié)強(qiáng)度這一性能，研究采用在提前對(duì)半切割好的小梁試件破壞斷面潤(rùn)濕后粘結(jié)上需要測(cè)定的新材料(如圖4左側(cè)為水泥混凝土試塊，右側(cè)待測(cè)的材料)，實(shí)驗(yàn)室養(yǎng)護(hù)9 h，1 d、28 d后，測(cè)試其抗折強(qiáng)度，加載模型如圖5所示。

圖4 用于測(cè)定粘附力的試件(單位: mm)

圖5 抗折強(qiáng)度測(cè)定原理示意(單位: mm)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄，見表4。

表4 不同時(shí)期抗折強(qiáng)度值MPa組別抗折強(qiáng)度9h1d28dBLANK020712TB-3072956

由表4中可知: TB — 3水泥砂漿在9 h，1 d以及28 d抗折強(qiáng)度對(duì)比與其結(jié)構(gòu)自身的抗折強(qiáng)度值(5、6.9及12 MPa)均具有大幅度的降低，但與BLANK組(即普通水泥砂漿)相比，其值遠(yuǎn)大于對(duì)應(yīng)齡期的BLANK組抗折強(qiáng)度值。這就表明TB — 3水泥砂漿的粘結(jié)力優(yōu)于普通水泥砂漿。其原因可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行分析：其一，芽孢桿菌在水泥基材料里面分泌了大量的碳酸鈣結(jié)晶，提高了試件的強(qiáng)度和硬度；其二，部分細(xì)菌轉(zhuǎn)化為絲狀細(xì)胞從而充當(dāng)強(qiáng)化纖維的作用，改善了試件的抗折強(qiáng)度；其三，細(xì)菌繁殖過程中分泌的蛋白酶或礦物具有充當(dāng)膠水和黏合劑的作用。

3 TB-3混凝土性能研究

3.1 施工和易性

采用P.O 42.5號(hào)水泥，參考公路水泥混凝土路面設(shè)計(jì)規(guī)范配制C30復(fù)合改性修補(bǔ)混凝土，其配合比見表5。

表5 配合比參數(shù)組別配合比水泥砂石水修補(bǔ)劑砂率水膠比BLANK119533042/037042TB-311953304201037042

根據(jù)表5中的配合比，在標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境下拌制得到TB — 3混凝土，試驗(yàn)測(cè)得其和易性能指標(biāo)記錄見表6 。

表6 施工相關(guān)性能指標(biāo)組別坍落度/mm容重/(kg·m-3)凝結(jié)時(shí)間/min初凝終凝BLANK102355119127TB-325240097126

參考公路水泥混凝土施工技術(shù)規(guī)范[16]，結(jié)合表6內(nèi)容可知，TB-3混凝土凝結(jié)時(shí)間大于60 min，坍落度在小于30 mm，滿足施工要求。

3.2 力學(xué)性能

材料的物理力學(xué)性能的大小直接關(guān)系著其使用性能的好壞，又因水泥混凝土作為一種硬脆性的剛性材料，其力學(xué)性能的不足將直接導(dǎo)致道路路面結(jié)構(gòu)的破壞，影響公路的使用性能甚至釀成交通事故。因此，本研究設(shè)計(jì)試驗(yàn)，對(duì)比分析了TB — 3組和BLANK組的抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度大小，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見圖6。TB — 3混凝土壓折比發(fā)展規(guī)律見圖7。

圖6 TB-3混凝土抗折強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度的發(fā)展規(guī)律

圖7 TB-3混凝土壓折比發(fā)展規(guī)律

由圖6b中可以看出: 使摻入了TB — 3配制的混凝土在 9 h即可達(dá)到設(shè)計(jì)配合比混凝土抗壓強(qiáng)度的 82.3%，這一強(qiáng)度已達(dá)到道路開放交通的需要。同時(shí)，從圖7中可以看出，TB — 3混凝土的壓折比小于BLANK組，而壓折比的下降表明了TB — 3材料對(duì)于抗折強(qiáng)度的貢獻(xiàn)遠(yuǎn)高于對(duì)抗壓強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，這也提高了TB — 3修補(bǔ)材料在道路修補(bǔ)工程中的適用性。

3.3 TB-3混凝土的抗裂性能

水泥混凝土裂縫是工程實(shí)際中普遍存在的一個(gè)問題，也是工程建設(shè)人員最為頭疼的常見問題。對(duì)于早強(qiáng)、快硬性的水泥混凝土，其所面臨的裂縫情況更為惡劣。另一方面，水泥屬于親水性材料，水泥混凝土路面裂開的縫隙中的液態(tài)水在動(dòng)水壓力的反復(fù)作用下，會(huì)導(dǎo)致路面板產(chǎn)生一些病害，如唧泥、錯(cuò)臺(tái)、沉陷以及碎裂等。鑒于此，課題組采用了1000 mm×100 mm的平板開裂試模并插入大號(hào)螺紋鋼，進(jìn)行了TB — 3混凝土開裂模擬試驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)見圖8。

圖8 TB-3組復(fù)合改性修補(bǔ)混凝土整體圖

試驗(yàn)采用凌云牌800 W插電取暖器對(duì)試模中混凝土不間斷進(jìn)行擺頭均勻烘烤，以促進(jìn)TB — 3復(fù)合改性修補(bǔ)混凝土水分的蒸發(fā)，模擬一個(gè)干燥環(huán)境。通過實(shí)驗(yàn)觀察，如圖9所示TB — 3試件表觀質(zhì)量完好，未出現(xiàn)明顯裂縫。

圖9 混凝土螺紋鋼附近裂縫觀測(cè)圖

4 結(jié)論

1) 通過大量的試驗(yàn)，根據(jù)抗折抗壓力學(xué)性能以及凝結(jié)時(shí)間與流動(dòng)度等施工性能參數(shù)，優(yōu)選出濃度為2.5 cfu/mL的芽孢桿菌材料TB — 3為最佳修補(bǔ)劑。

2) 利用掃描電子顯微鏡(SEM),對(duì)比了BLANK組和TB — 3組在6 h和28 d的表面微觀構(gòu)造與組成，發(fā)現(xiàn)TB — 3修補(bǔ)材料的摻入對(duì)水泥中鈣礬石等水化產(chǎn)物的形成具有促進(jìn)作用。

3) 通過抗折強(qiáng)度試驗(yàn)表征TB — 3水泥砂漿的粘結(jié)能力，試驗(yàn)證明，TB — 3組砂漿的粘結(jié)力在9 h時(shí)為BLANK組的3.5倍，28 d時(shí)為BLANK組的4.67倍，粘結(jié)力有所提高。

4) 實(shí)驗(yàn)證明TB — 3水泥混凝土的施工和易性能滿足施工要求，摻入TB — 3能顯著提高水泥混凝土的早期抗折抗壓強(qiáng)度。特別地，TB — 3水泥混凝土的9 h時(shí)的抗折強(qiáng)度和抗折強(qiáng)度都顯著提高，在水泥混凝土道路常見病害的快速修補(bǔ)方面有一定的應(yīng)用前景。

5) 通過人工模擬干燥環(huán)境，驗(yàn)證了TB — 3水泥混凝土具備良好的抗開裂性能。

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1008-844X(2017)03-0080-04

U 414

A

2017-03-30

黃建勝(1975-)，男，工程師，從事公路工程技術(shù)工作。