楊春景,白宏潔,張 彬,趙 峰

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

1 前 言

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

近年來,隨著多學科交叉技術的快速發(fā)展,利用微生物礦化技術來修復混凝土裂縫已成功吸引了眾多國內外學者的研究興趣,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,且修復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的Jonkers等[11]首次提出了微生物自修復混凝土的概念,主要是將耐堿性芽孢桿菌和底物作為微生物自修復劑,在混凝土制備過程中加入其中,當裂縫產生后,混凝土內部的微生物會發(fā)生礦化反應生成碳酸鈣沉淀,從而達到裂縫修復的目的。

眾所周知,在微生物誘導碳酸鈣沉積的過程中,微生物的生物化學反應過程起到至關重要的作用[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效果及其采用載體技術來提高后期裂縫的修復效果。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效果的提高至關重要。

本研究選用一種耐堿性且能產生脲酶的微生物,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,以面積修復率和抗水滲透修復率兩個指標來表征裂縫的自修復效果,從而為MICP 技術應用于水泥基材料裂縫修復實踐提供技術支撐。

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準溶液進行校正,Ca2+濃度則采用EDTA 滴定法測試。

2.9 砂漿試件的制備

采用標準的三聯(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準砂漿(w/c=0.5),值得注意的是在砂漿拌和過程中應嚴格按照標準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,然后將試件放入標養(yǎng)室中(RH=90%, T=(20±3) ℃進行養(yǎng)護,當養(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。在每個干濕循環(huán)修復過程中,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效果,直至修復時間達到28 d為止。圖1是砂漿試件裂縫的制作和修復養(yǎng)護過程示意圖。

圖1 裂縫制作及修復養(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效果

2.11.1 面積修復率 當裂縫在不同養(yǎng)護時間下進行修復時,圖像法最能直觀表征不同修復時間下裂縫的自修復效果。采用體式顯微鏡(SZ61-SET)對不同修復時間下的裂縫拍照,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時間下裂縫區(qū)的像素值。依據以前的研究[28-30],面積修復率的計算公式如下:

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

2.11.2 抗水滲透修復率 當砂漿試件產生裂縫后,試件的抗?jié)B水性就會大幅降低,而當裂縫被修復后,相同時間內通過裂縫的水流量會減少。因此,通過測試恒定時間內不同修復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前和不同修復時間下的水滲透速度,并根據下列公式計算不同修復時間裂縫的抗水滲透修復率[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率,V0為未修復時通過砂漿試件的水滲透速度(mL/s),Vt為修復時間t后通過砂漿試件的水滲透速度(mL/s)。

2.12 裂縫區(qū)修復產物分析

當砂漿試件裂縫修復時間達到28 d時,將試件裂縫區(qū)的修復物質取下,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,細菌生長緩慢,此時細菌處于遲緩期階段;當培養(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,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。當培養(yǎng)時間達到76 h后,由于培養(yǎng)液中營養(yǎng)物質的減少,以及細菌生長繁殖過程中有害代謝產物的增加,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,上述結果表明微生物的生長明顯受到溫度影響。當培養(yǎng)溫度為25 ℃時,微生物的生長情況最好。而當外界溫度過高時,微生物中的蛋白質等會因熱作用而變性失活,導致細菌死亡[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,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)物質的吸收,最終影響細菌的新陳代謝。此外,當水泥基材料產生裂縫時,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,進行礦化反應來修復裂縫。

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Ca2+濃度在0～90 mM 時,細菌生長情況良好;而當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Ca2+濃度達到180 mM 以后,細菌幾乎不再生長。該實驗結果表明,細菌的生長存在一個合適的菌液Ca2+濃度范圍,當Ca2+濃度過高時,細菌的生長會受到嚴重抑制。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,未加菌組和加菌組培養(yǎng)基中的鈣化速率幾乎相同。因此,可以認為第一階段主要發(fā)生的是碳化反應,與微生物關系不大,是化學沉淀反應。第二階段(24～60 h)是微生物礦化的主要階段。經過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,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+的產生,導致溶液中pH值快速降低。而后當Ca2+消耗完畢后,CO2-3的累積會導致溶液中的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沉淀的關鍵因素。在第三階段,游離Ca2+全部被消耗完畢,細菌繼續(xù)產生脲酶,分解尿素來生成NH4+,同時生成OH-,從而導致濃度和溶液pH 值的升高[20]。

圖9中的鈣化速率結果表明,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中的作用具有可靠的理論支撐。

3.6 砂漿裂縫修復效果觀察與分析

3.6.1 面積修復率 不同組砂漿試件裂縫修復前后的照片如圖10所示。從圖可見,基準組砂漿的裂縫經過28 d修復后有所減小,這主要是由于試件內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生成,這主要是大氣中的CO2溶于裂縫區(qū)堿性溶液中產生碳化反應所致[38]。而微生物組砂漿裂縫經過28 d的干濕循環(huán)修復,裂縫口處有大量白色物質生成。采用數(shù)值二值化處理后的圖像如圖11所示,依據此圖像計算出像素值,面積修復率如圖12所示。結果顯示,不同修復時間下的裂縫面積修復率是不同的,且呈現(xiàn)逐漸升高的趨勢,當裂縫修復時間達到28 d后,基準組砂漿和微生物組砂漿裂縫的面積修復率分別為5.3%和99.2%。相同時間下微生物組砂漿裂縫的面積修復率明顯高于基準組砂漿,表明采用微生物礦化技術可以提高裂縫的自修復效果。

圖10 不同砂漿試件裂縫修復前和28 d修復后裂縫的圖片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前和28 d修復后裂縫經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 不同修復時間下不同砂漿裂縫的面積修復率Fig.12 Area repair ratio of different mortar cracks under different healing time

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

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

3.7 裂縫區(qū)白色物質的SEM 表征

基準組和微生物組砂漿試件裂縫區(qū)白色物質的SEM 照片如圖14 所示。從圖可見,基準組試件(圖14a)表面的白色物質是不規(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檢測結果(圖15)表明兩組砂漿試件裂縫區(qū)的白色物質主要由C、O 和Ca三種元素組成,表明該白色物質為CaCO3,而XRD 分析結果(圖16)表明裂縫區(qū)的CaCO3主要是方解石。

圖14 修復28 d后裂縫區(qū)白色物質的SEM 圖像 (a) 基準組;(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28 d后裂縫區(qū)白色物質的EDS能譜 (a) 基準組;(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28 d后裂縫區(qū)白色物質的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機理

微生物自修復混凝土是將微生物自修復劑在拌和過程中加到混凝土中,以達到裂縫自動修復的目的。當砂漿試件產生裂縫后,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,會產生脲酶,此外還可以產生部分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)裂縫自修復的效果。具體的裂縫修復過程示意圖如圖17 所示,裂縫修復過程發(fā)生的反應如下所示:

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

① 細菌在新陳代謝過程中會產生脲酶,在脲酶的作用下,生成大量CO2-3:

② 帶負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合能,使得CaCO3快速生成:

4 結 論

本研究選用一種在新陳代謝過程中可產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。微生物礦化實驗結果表明,加入微生物后,在脲酶的催化作用下,產生的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效果表明,該微生物自修復劑對早期裂縫具有良好的自修復功能,經檢測砂漿試件裂縫區(qū)的白色產物是方解石CaCO3。最后,揭示了砂漿試件裂縫的的自修復機理?？傊?本研究為MICP應用于水泥基材料早期裂縫的修復提供了一定理論依據。