混凝土裂缝的微生物自修复机理及自修复剂研究

摘要

混凝土是建筑领域使用量最大的建筑材料，而水泥的生产不仅消耗大量的能源，同时还会向大气中排放大量的二氧化碳，从可持续发展的角度出发，提高混凝土结构的耐久性、延长其服役寿命是最有利的节能环保方法。但是裂缝的产生使得各种腐蚀性物质进入混凝土内部，使结构遭受破坏，耐久性降低，目前科学工作者越来越重视在不借助外力之下混凝土能够自动修复裂缝。本文着眼于利用微生物技术对混凝土裂缝进行自修复，将微生物预埋在混凝土中，当裂缝产生时，形成生物矿化产物将裂缝填充以达到修复的目的。
　　首先将筛选得到的菌株Bacteria H4，在pH为7.0、恒定温度30℃、振荡速度170r/min的条件下培养，获得了较好的生长特性；并且通过耐碱性驯化操作使微生物能够适应pH等于11及以上的环境，保证微生物预埋进高碱性的水泥基材料中仍然能够存活。
　　重点研究了微生物的矿化机理以及水泥砂浆试样裂缝的自修复机理，揭示了底物在微生物酶作用下与氧气发生反应，生成不溶性矿物质碳酸钙以及酸性气体CO2。将菌泥与底物共同拌合至水泥净浆中，破坏形成裂缝后浸泡于菌液中20d可发现在水泥石表面形成人量呈花瓣状的碳酸钙。在确保了载体对于微生物生长的安全性之后，选择粒径级配合适的陶粒和炉渣作为载体，吸附微生物后作为骨料加入到水泥基体中，标准养护7d后压出裂缝并浸泡于饱和溶解氧的水中，5d后裂缝中生成少量质地疏松的碳酸钙，40d后宽度达到1.0mm以上的裂缝也已经被填满。对裂缝内部的碳酸钙分布进行研究，发现沿裂缝深度方向距裂缝口10.0mm范闱内均有碳酸钙生成，且其含量随着深度的增加而越来越低；在垂直于裂缝断裂面方向距断裂而2.0mm范围内均有碳酸钙形成，在表层的1.5mm范闱内碳酸钙含量较高，平均达到20％以上；在1.5～2.0mm范闱内含量较低，平均只有8％左右；而再往水泥基体中深入便几乎没有碳酸钙的形成。此外，在研究过程中发现了三种不同形貌的碳酸钙颗粒：静置矿化产物的层状结构、振荡矿化产物的球形结构以及水泥砂浆裂缝中矿化产物的柱状结构。
　　采用不同方法表征砂浆试样裂缝的自修复效果，其裂缝制作方法也不尽相同。从破损程度、操作便捷度以及修复效果来比较，确定了“四次荷载胶带缠绕”的裂缝制作方法。比较了宽度测量法、渗水率法、CT扫描法以及超声波无损检测法对于裂缝自修复效果表征的优劣，发现唯有超声波能够敏感地表征裂缝自修复的效果。
　　最后，以超声波表征方法为基础，从水泥砂浆试样自身角度研究了诸多因素对于裂缝自修复效果以及力学性能的影响，初步得到混凝土裂缝微生物自修复剂的配方，即以粒径范围为0.6～0.3mm的陶粒作为载体，经处理后吸附OD值为2.0的菌液24h，之后于30℃烘箱中烘干1d，得到菌载体，按体积分数为45％的使用量预埋进水泥基体中，除此之外微生物还需要以离心菌体的方式预埋在水泥基体中，其浓度为3×108个菌体/cm3，水泥基体中底物的浓度为水泥质量的2％。