易 丹,楊國軍

(1.江蘇城鄉(xiāng)建設(shè)職業(yè)學(xué)院管理工程系，常州 213000；2.東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京 210096)

0 引 言

水泥基材料作為一種重要的建筑材料，是社會上使用量最大的材料。隨著建筑行業(yè)對建筑壽命的高要求與水泥基行業(yè)自身的節(jié)能減排需求，水泥基材料的耐久性是如今重要的研究方向[1]。然而，水泥基材料自身的脆性以及服役環(huán)境的影響，使水泥基材料的開裂不可避免；開裂后若未能及時(shí)得到修復(fù)，外界水和侵蝕介質(zhì)便會不斷從材料表面缺陷逐漸滲入，最終引起水泥基材料的劣化加速[2-3]。因此，修復(fù)水泥基材料的裂縫，是延長水泥基材料壽命的重要手段之一。近十年來，采用微生物礦化技術(shù)進(jìn)行水泥基材料的修補(bǔ)因具有很好的前景而備受關(guān)注[4-7]。然而，在微生物自修復(fù)混凝土的相關(guān)研究中，所采用的修復(fù)養(yǎng)護(hù)溫度均較高，溫度一般在20～30 ℃[8-11]。主要原因是微生物生長或酶活性均存在合適的溫度范圍，而微生物礦化沉積過程是以酶活性為基礎(chǔ)的，因此，高效的酶活性是微生物礦化的關(guān)鍵因素之一[12-15]。目前在微生物自修復(fù)領(lǐng)域應(yīng)用的主要是一些室溫生長的微生物，這些微生物的適宜生長環(huán)境溫度為20～30 ℃，多數(shù)文獻(xiàn)[10,16-18]報(bào)道裂縫修復(fù)過程中所需的溫度為20 ℃左右。盡管有文獻(xiàn)[19]報(bào)道砂漿裂縫的最低修復(fù)溫度為7 ℃，但此時(shí)的裂縫修復(fù)效果較差。然而，混凝土實(shí)際服役環(huán)境不會時(shí)刻處于理想狀態(tài)，外界溫度分布范圍較廣，溫差較大。然而，目前采用的微生物自修復(fù)水泥基材料均在常溫環(huán)境下進(jìn)行修復(fù)，當(dāng)環(huán)境溫度低于常溫時(shí)，微生物的生長繁殖效率低下，礦化反應(yīng)很難發(fā)生，裂縫的自修復(fù)效果并不能達(dá)到要求。因此需要研發(fā)一種適用于常溫環(huán)境，又適用于低溫環(huán)境下的微生物自修復(fù)劑。

水泥基材料內(nèi)部處于高堿性環(huán)境，其pH值一般在13.0～13.5，這種高堿性環(huán)境會對微生物的生長繁殖造成不利影響。但是當(dāng)裂縫產(chǎn)生后，水和空氣進(jìn)入，水泥基材料裂縫區(qū)環(huán)境的pH值有所降低，對于寬度小于0.50 mm的裂縫，裂縫區(qū)表層溶液的pH值為11.0左右[19-20]。本文選育一種低溫微生物，在10 ℃下探討了微生物在低溫堿性環(huán)境下的礦化過程。接著，將微生物自修復(fù)劑加入到混凝土中，研究了該微生物在低溫環(huán)境中對混凝土早期裂縫的自修復(fù)效果。總的來說，針對在低溫環(huán)境下服役的混凝土，本文為此環(huán)境下的混凝土裂縫自修復(fù)提供一定的試驗(yàn)結(jié)果，為微生物自修復(fù)混凝土在低溫環(huán)境下的推廣應(yīng)用提供了理論支撐。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 低溫微生物與培養(yǎng)基

本文選用的微生物是一種耐堿性強(qiáng)、且具有良好低溫活性的地衣芽孢桿菌(10037)，菌種購于中國工業(yè)微生物菌種保藏管理中心(CICC)，細(xì)菌是革蘭氏陽性，形狀為橢圓狀或柱狀，大小為2～4 μm，如圖1所示。細(xì)菌培養(yǎng)基為10.0 g/L蛋白胨、5.0 g/L牛肉膏、2.5 g/L氯化鈉和1 000 mL去離子水(pH=7.0)，具體的培養(yǎng)基成分和功能如表1所示。將培養(yǎng)基裝于錐形瓶中，在125 ℃的滅菌鍋中滅菌25 min，接著將購買的微生物菌種接種(1%,體積分?jǐn)?shù))于培養(yǎng)基中進(jìn)行培養(yǎng)(培養(yǎng)溫度10 ℃，振蕩頻率170 r/min)。在微生物的生長過程中，每隔4 h測試微生物的生長情況及其溶液中的pH值變化。經(jīng)過3代微生物穩(wěn)定培養(yǎng)后，將此微生物菌液放入4 ℃的冰箱中保存。

圖1 地衣芽孢桿菌形貌

表1 培養(yǎng)基組成

1.2 微生物細(xì)菌數(shù)量的測試

待微生物在培養(yǎng)箱中培養(yǎng)54 h后，取其上層菌液進(jìn)行光密度(OD600)測試，OD600是微生物菌液在波長600 nm下的光密度，所測試的光密度值越大，則表明微生物生長的越好，細(xì)菌營養(yǎng)體數(shù)目越多，OD600采用酶標(biāo)儀測定。

1.3 微生物生長過程中的pH值測試

采用pH計(jì)(PHS-2C, 雷磁, 中國)來測試微生物生長過程中培養(yǎng)基溶液中的pH值，其中pH計(jì)的精度為0.1。

1.4 Ca2+濃度測試

培養(yǎng)液中的Ca2+濃度可采用EDTA滴定法進(jìn)行測試[18]。此外，可采用鈣化速率來表征微生物的礦化效率，并且鈣化速率可根據(jù)Ca2+濃度的變化來進(jìn)行計(jì)算。

鈣化速率是單位時(shí)間內(nèi)Ca2+濃度的變化量，以符號α表示，計(jì)算方式如下：

(1)

式中：α為鈣化速率;C0為初始的Ca2+濃度;Ct為培養(yǎng)t時(shí)間后Ca2+濃度。

1.5 堿性溶液中礦化產(chǎn)物的生成過程

將60 mmol Ca(NO3)2溶液加入到500 mL滅菌后培養(yǎng)基中，其中礦化培養(yǎng)基成分為5.0 g蛋白胨、2.5 g牛肉膏和1.25 g NaCl。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，并用1 mol/L的滅菌NaOH調(diào)節(jié)培養(yǎng)基體系的初始pH值至10.0。隨后，在10 ℃和170 r/min大氣環(huán)境中的恒溫振蕩培養(yǎng)箱中培養(yǎng)72 h。在培養(yǎng)期間，每隔6 h分別對培養(yǎng)液中的pH值和Ca2+濃度進(jìn)行測試。采用鈣化速率來反映MICP的動態(tài)過程。

1.6 混凝土試件的制備

采用尺寸為φ100 mm×50 mm的圓柱形模具測試修復(fù)性能，將普通硅酸鹽水泥P·Ⅱ 52.5，粉煤灰、礦粉、自來水、砂、碎石、減水劑以及包含微生物菌液和鈣源的微生物修復(fù)劑，混凝土在混合攪拌過程則按GB/T 2419—2005要求，具體的配合比如表2所示。用微生物菌液代替等體積的水加入到砂漿試件中，而鈣源在混凝土試件攪拌過程中放入水中溶解后添加。每個配比成型3組試件，待24 h后脫模，然后將混凝土試件脫模然放入標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)室(相對濕度(RH)=95%,T=(20±5) ℃)養(yǎng)護(hù)7 d后取出制造裂縫。

表2 混凝土配合比

1.7 混凝土裂縫制作與養(yǎng)護(hù)方法

為模擬真實(shí)環(huán)境下混凝土裂縫，采用劈裂法使混凝土產(chǎn)生裂縫。在圓柱形試件上預(yù)先縱向纏繞兩層膠布以防止劈拉過程中試件完全破碎，同時(shí)也為了防止裂縫過大。然后將處理過后的試件置于抗壓試驗(yàn)機(jī)上，適當(dāng)控制加載速度(0.3～0.5 kN/s)使試件產(chǎn)生裂縫，最后控制在裂縫寬度小于0.50 mm。隨后，將造好裂縫的試件放入自來水中進(jìn)行干濕循環(huán)養(yǎng)護(hù)，在每個干濕循環(huán)過程中，混凝土試件12 h放在空氣中，12 h放入水中，其中養(yǎng)護(hù)水溫度維持在(10±2) ℃，每隔7 d將試件取出測試裂縫的面積修復(fù)率和滲水系數(shù)[21]。具體混凝土裂縫制作和養(yǎng)護(hù)過程如圖2所示。

圖2 混凝土裂縫制作及其養(yǎng)護(hù)過程示意圖

1.8 自修復(fù)效果表征方法

1.8.1 裂縫愈合率

對于混凝土試件表面裂縫，直接獲取裂縫圖像并進(jìn)行檢測是最為直觀的方法。首先，采用體式顯微鏡(D780, Nikon, Japan)對試件修復(fù)前后照片進(jìn)行垂直拍攝，然后利用“Image-J”軟件對裂縫圖像進(jìn)行處理，定量分析裂縫修復(fù)前后的像素點(diǎn)數(shù)，最終按照不同修復(fù)時(shí)間后裂縫區(qū)的像素點(diǎn)數(shù)占初始裂縫像素點(diǎn)數(shù)的比值，即可計(jì)算出裂縫愈合率(K)，計(jì)算公式為[12]：

(2)

式中：A0為初始裂縫區(qū)像素點(diǎn)數(shù)；A28為修復(fù)28 d后裂縫區(qū)像素點(diǎn)數(shù)。

1.8.2 滲水系數(shù)

當(dāng)混凝土開裂產(chǎn)生裂縫時(shí)，若外部有水，水將通過裂縫透過混凝土，且隨著裂縫寬度的增大，滲水能力會增強(qiáng)。當(dāng)混凝土裂縫表面被修復(fù)時(shí)，裂縫的寬度和內(nèi)部空間都將減小，水的透過將受到阻礙，故一定時(shí)間內(nèi)透過混凝土的水量將減少，因此可用滲水系數(shù)來表征裂縫的自修復(fù)效果。根據(jù)達(dá)西定律，滲水系數(shù)的測試方法示意圖如圖3所示，計(jì)算公式為[21]：

圖3 滲水系數(shù)測試示意圖

(3)

式中：k為滲水系數(shù)，m/s；Q為水流量，m3/s;L為試件高度，m;A為試件橫截面積，m2;Δh為水頭差，m。

相對滲水系數(shù)可用公式(4)計(jì)算[21-22]：

(4)

式中：η為相對滲水系數(shù);k0為初始混凝土試件的滲水系數(shù)，m/s；k28為修復(fù)28 d后混凝土試件的滲水系數(shù)，m/s。

1.9 礦化產(chǎn)物和混凝土裂縫區(qū)修復(fù)產(chǎn)物的表征

將堿性溶液中礦化反應(yīng)后的產(chǎn)物過濾、洗滌、干燥后，進(jìn)行測試。同時(shí)也將經(jīng)過28 d養(yǎng)護(hù)修復(fù)后混凝土裂縫表面的白色物質(zhì)刮下，烘干備用。然后利用配有能譜儀的場發(fā)射掃描式電子顯微鏡(SEM-EDS)觀察礦化產(chǎn)物和修復(fù)產(chǎn)物的形貌并測定其元素組成，并采用X射線衍射儀測定其礦物成分。測定條件為:Cu靶Kα，管壓35 kV，管電流20 mA，掃描速率2 (°)/min，步長0.015°，測定范圍10°～90°。

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物生長情況

低溫微生物在10 ℃溫度下的生長情況和溶液中的pH值變化如圖4所示。微生物的生長繁殖過程經(jīng)歷了四個時(shí)期，分別為遲緩期、對數(shù)期、穩(wěn)定期及衰亡期。在0～8 h細(xì)菌生長緩慢，生長曲線平坦穩(wěn)定，此時(shí)處于遲緩期；8～40 h 的對數(shù)期期間，微生物快速生長繁殖，細(xì)菌數(shù)目呈現(xiàn)幾何級增長。期間微生物不斷分解培養(yǎng)基中的營養(yǎng)物質(zhì)，產(chǎn)生碳酸，使得培養(yǎng)基中pH值逐漸下降；隨后，細(xì)菌在40～60 h 內(nèi)進(jìn)入穩(wěn)定期生長，此時(shí)活細(xì)菌數(shù)保持相對穩(wěn)定，總細(xì)菌數(shù)達(dá)到最高水平，同時(shí)細(xì)胞代謝產(chǎn)物積累達(dá)到最高峰；在60 h后，由于營養(yǎng)物質(zhì)的消耗和有害代謝產(chǎn)物的積累，微生物生長步入衰亡期，此時(shí)會伴隨著細(xì)胞自溶現(xiàn)象[23]，培養(yǎng)基中pH值升高。

圖4 低溫微生物生長曲線及培養(yǎng)液的pH 值變化

2.2 堿性溶液中微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程

圖5是微生物礦化過程中溶液中Ca2+濃度和pH值變化以及鈣化速率和時(shí)間的關(guān)系。微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積過程中Ca2+濃度變化明顯呈現(xiàn)三個階段，而對照組中的Ca2+濃度和pH值則呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢。對于微生物組，在第一階段(0～12 h)，溶液中pH值逐漸下降，部分游離Ca2+被結(jié)合發(fā)生沉積，致使培養(yǎng)液中Ca2+濃度降低。而對照組的Ca2+濃度和pH值變化與此一致，可以認(rèn)為本階段中部分Ca2+濃度的降低與細(xì)菌無直接關(guān)系，主要發(fā)生的是化學(xué)沉淀，即大氣中CO2溶于培養(yǎng)液中而發(fā)生的碳化反應(yīng)。第二階段則是微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的重要階段，此時(shí)培養(yǎng)液中的Ca2+基本轉(zhuǎn)化為CaCO3沉淀，微生物促使了CaCO3的快速生成。在12～60 h的培養(yǎng)時(shí)間段內(nèi)，細(xì)菌快速繁殖，不斷螯合培養(yǎng)液中的游離Ca2+，Ca2+濃度快速下降。同時(shí)由于培養(yǎng)液中OH-的消耗，溶液中的pH值繼續(xù)降低。在第三階段，游離的Ca2+基本消耗完全，細(xì)菌生長處于衰亡期，此時(shí)細(xì)菌會發(fā)生自溶現(xiàn)象，從而溶液中的pH值持續(xù)升高。而對于對照組來說，沒有微生物的作用，大氣環(huán)境中的CO2只是進(jìn)行緩慢的溶解過程，在第一和第二階段，溶液中的Ca2+濃度和pH值都呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，都是發(fā)生簡單的化學(xué)沉淀。

鈣化速率的變化如圖5(b)所示。從圖可知，對照組的鈣化速率維持恒定，約為0.18 mmol·h-1，這主要是大氣中CO2的碳化作用，是化學(xué)沉淀過程。而微生物組溶液中的鈣化速率在12 h后快速升高，在42 h時(shí)達(dá)到最大，此時(shí)主要是微生物的作用促進(jìn)了鈣化速率的增大。而后隨著溶液中游離Ca2+消耗殆盡，鈣化速率則開始下降。由此可知，微生物能夠促進(jìn)CO2的水合作用，加速CaCO3的沉積過程，大大提高了CaCO3的生成速率。

圖5 礦化反應(yīng)過程

2.3 礦化產(chǎn)物分析

待反應(yīng)結(jié)束后，將兩種培養(yǎng)基中的沉淀產(chǎn)物過濾，并分別用去離子水、無水乙醇各沖洗三遍，去除沉淀物質(zhì)中含有的有機(jī)物和其他雜質(zhì)，隨后放入 60 ℃恒溫干燥箱中烘至恒重，然后進(jìn)行SEM-EDS和XRD測試。圖6為對照組和微生物組得到的沉淀物的SEM照片。從圖中可以看出，對照組的沉淀物形貌主要是以斜立方為主，晶體粒徑大小分布不均，粒徑約在5～50 μm，且晶粒尺寸較大。而微生物組的沉淀物形貌主要是由不規(guī)則橢球形小顆粒堆積而成，并且絕大多數(shù)晶體為球狀或類球狀聚集體，顆粒粒徑大小分布較廣，堆積非常緊密。由能譜圖(見圖7)分析可知所得的沉淀物主要為C、O、Ca三種元素，證明該物質(zhì)是CaCO3。

圖6 沉淀物的SEM照片

圖7 沉淀物的EDS譜

圖8是沉淀物的XRD譜，該沉淀物均是方解石晶型的CaCO3，雖說方解石主峰位置基本一致，但在主峰強(qiáng)度上有一定差異，對照組沉積的方解石主峰強(qiáng)度較微生物誘導(dǎo)礦化沉積的方解石要高，這在一定程度上表明，微生物誘導(dǎo)礦化沉積礦物結(jié)晶度較差[24-25]。在微生物誘導(dǎo)礦化環(huán)境中，細(xì)菌分泌的有機(jī)大分子對晶體成核和生長都會產(chǎn)生調(diào)控作用。一方面，細(xì)菌分泌的可溶性有機(jī)質(zhì)一般帶有很強(qiáng)的電荷負(fù)性，能吸引溶液環(huán)境中的Ca2+發(fā)生靜電螯合作用，使Ca2+在細(xì)菌體附近富集形成細(xì)菌-Ca2+基元模板,有利于方解石結(jié)晶成核，這在一定程度上解釋了微生物對礦物沉積的加速誘導(dǎo)作用。另一方面，隨著基元模板上方解石晶體的繼續(xù)長大，有機(jī)大分子基團(tuán)的靜電排斥和空間位阻作用又將抑制晶體的生長和發(fā)展，最終導(dǎo)致微生物誘導(dǎo)礦化形成的方解石晶體結(jié)晶度較差。

圖8 沉淀物的XRD譜

2.4 混凝土裂縫自修復(fù)效果

2.4.1 裂縫愈合率

圖9是經(jīng)過28 d修復(fù)后不同混凝土試件裂縫的修復(fù)情況，從圖中可知，對于基準(zhǔn)組混凝土裂縫來說，28 d修復(fù)后，裂縫表面僅有少量白色物質(zhì)生成，且裂縫寬度有所減少，主要原因可能是未水化水泥顆粒的進(jìn)一步水化引起的。而非生物組較小的裂縫寬度均修復(fù)良好，大于0.25 mm的裂縫幾乎未修復(fù)。加入微生物后，混凝土裂縫表面有大量白色物質(zhì)生成，裂縫得到良好的修復(fù)。圖10是不同初始裂縫寬度修復(fù)28 d后通過“Image-J”軟件計(jì)算出的裂縫愈合率。從圖中可知，對于50 μm以下的裂縫，基準(zhǔn)組的裂縫愈合率可達(dá)100%，當(dāng)裂縫寬度在100 μm以下時(shí)，非生物組的裂縫愈合率亦可達(dá)到100%，這主要是未水化水泥顆粒的二次水化以及裂縫區(qū)碳化反應(yīng)造成的。對于微生物組來說，當(dāng)裂縫寬度最大為0.495 mm時(shí)，裂縫愈合率也可達(dá)到80%以上，其余寬度的裂縫基本已達(dá)到95%的裂縫愈合率。總的來說，加入微生物后，能夠?qū)α芽p起到良好的修復(fù)作用，并且大大提高裂縫的愈合率。

圖9 修復(fù)28 d后不同混凝土試件裂縫的修復(fù)情況

圖10 修復(fù)28 d后不同混凝土試件的裂縫愈合率

2.4.2 滲水系數(shù)

表3是混凝土修復(fù)前后的滲水系數(shù)和相對滲水系數(shù)。從表中可知，28 d修復(fù)后，各種混凝土試件的滲透系數(shù)都得到一定程度的下降，而基準(zhǔn)組混凝土滲透系數(shù)下降較少，相對滲水系數(shù)高達(dá)79.12%，主要可能是未水化的水泥顆粒的二次水化所造成的[19,26]。與修復(fù)前相比，28 d修復(fù)后，非生物組和微生物組混凝土滲水系數(shù)分別下降1個和2個數(shù)量級，相對滲水系數(shù)分別為50.91%和1.57%。造成二者差別的主要原因是微生物組混凝土裂縫表面都被白色物質(zhì)填充，有效阻斷了混凝土裂縫區(qū)的孔隙結(jié)構(gòu)，因此，修復(fù)后混凝土試件的滲水系數(shù)得到降低，抗?jié)B水性能可以得到大大提高。裂縫愈合率反映的是裂縫表面被礦化產(chǎn)物填充的狀況，而滲水系數(shù)則反映的是裂縫修復(fù)后帶來的抗?jié)B性能的變化情況。試件裂縫表面修復(fù)越好，則滲水系數(shù)也就越小。因此，裂縫愈合率和滲水系數(shù)均可用來表征混凝土裂縫的自修復(fù)效果。

2.5 混凝土裂縫區(qū)修復(fù)產(chǎn)物分析

圖11是微生物組試件裂縫區(qū)白色物質(zhì)的SEM照片，從圖中可知，在裂縫斷裂面上有大量的球形顆粒堆積，對其局部放大，發(fā)現(xiàn)其主要形貌與地衣芽孢桿菌在堿性溶液中沉積的碳酸鈣形貌一致，均是不規(guī)則的球形顆粒。由EDS(見圖12)分析可知，裂縫區(qū)的白色物質(zhì)主要具有C、O、Ca三種元素，證明裂縫區(qū)的礦化產(chǎn)物是CaCO3，其他少量元素(Na、P和S)可能是微生物在誘導(dǎo)礦化過程中的代謝產(chǎn)物[7]。XRD譜(見圖13)表明所得的產(chǎn)物是方解石晶型的CaCO3，其中衍射角2θ=29.40°主要對應(yīng)于方解石的(104)晶面。除了方解石衍射峰，其他雜質(zhì)衍射峰的強(qiáng)度可忽略，這表明沉淀物質(zhì)的純度較高，并且XRD譜中各衍射峰尖銳，表明其結(jié)晶性良好。這與EDS分析相一致，證明裂縫區(qū)的白色物質(zhì)是方解石CaCO3。

圖11 混凝土裂縫區(qū)沉淀物的SEM照片

圖12 混凝土裂縫區(qū)沉淀物的EDS譜

圖13 混凝土裂縫區(qū)沉淀物的XRD譜

3 結(jié) 論

本文選用一種可在低溫下生長繁殖并進(jìn)行礦化的地衣芽孢桿菌，然后在堿性溶液中了研究了其在低溫環(huán)境(10 ℃)的礦化能力，并通過測試溶液中的Ca2+濃度、pH值以及鈣化速率的變化來揭示微生物礦化的動態(tài)過程，并對礦化產(chǎn)物進(jìn)行表征分析。隨后，將微生物菌液和硝酸鈣加入到混凝土中制備出微生物自修復(fù)混凝土，并以裂縫愈合率和滲水系數(shù)來表征裂縫的自修復(fù)效果，所得結(jié)果如下：

(1)微生物的加入能夠加速Ca2+的消耗，提高其鈣化速率，礦化產(chǎn)物主要是團(tuán)聚而成的球狀方解石CaCO3。在微生物誘導(dǎo)碳酸鈣沉積的過程中，由于微生物及其分泌的可溶性有機(jī)質(zhì)帶負(fù)電，從而使帶正電荷的Ca2+吸附在菌體表面，為礦化產(chǎn)物的沉積提供了成核位點(diǎn)。此外，這種細(xì)菌-Ca2+基元模板有利于方解石結(jié)晶成核，加速了CaCO3的形成。

(2)對于寬度低于0.50 mm的混凝土裂縫，微生物和鈣源的加入可以提高裂縫的修復(fù)情況。與基準(zhǔn)組和非生物組混凝土裂縫相比，微生物組混凝土裂縫表面基本被白色物質(zhì)填充，滲水系數(shù)下降2個數(shù)量級。裂縫區(qū)的修復(fù)產(chǎn)物主要是結(jié)晶度良好的方解石晶型的CaCO3。