微生物修复水工混凝土力学性能与微观机理研究

娄 岩，冯 涛，胡艳芳

(1.北京市南水北调环线管理处，北京 100176；2.北京市城市河湖管理处，北京 100085)

0 引 言

水利工程运行过程中，水工混凝土在复杂环境影响下极易出现裂缝，若不及时修复，将会引起内部钢筋与混凝土性能的加速劣化，严重威胁枢纽的运行安全与长期稳定[1-3]。工程实践中，出现过大坝因坝体温度或收缩裂缝引起失事的案例[4]。因此，采取有效措施修复水工混凝土裂缝，对水利工程的长期稳定性与安全性具有重要意义。

传统的混凝土裂缝修复方法包括灌浆、嵌缝、封堵等，广泛应用于水工混凝土裂缝修复中[5]，但这些传统修复方法存在不足。传统方法常采用有机化学材料，一方面部分有机材料具有一定的毒性，对环境和人体产生不利影响；另一方面有机材料与混凝土材料的膨胀性存在一定差异，导致二者相容性较差[6-7]。因此，研究人员开始致力于研究环境友好、成本低廉且能有效修复水工土裂缝的新材料。

微生物成矿学方面的研究表明，一些微生物在特定条件下可通过新陈代谢析出矿物结晶，如碳酸盐等[8]。由此研究提出了MICP技术，利用微生物的新陈代谢诱导环境中的钙离子沉积生成具有胶凝性质的碳酸钙，这一技术具有相容性与耐久性良好、无毒无害、环境友好、操作简便、成本低廉等优点[9]，为修复水工混凝土裂缝提供了新思路。自Adolphe[10]首次提出将MICP技术应用于建筑材料保护领域以来，学者们开展了大量的研究探索。Sookie S. Bang[11]使用巴氏芽孢杆菌砂浆填充人工裂缝，结果显示试件的压强度与刚度均有所增强。王瑞兴等[12]的研究表明，微生物砂浆能有效恢复裂缝混凝土的强度，灌浆后试件抗压强度增强1.7倍，恢复到初始强度的82%。

现有MICP技术研究中，大都是基于普通混凝土开展，针对微生物修复水工混凝土裂缝的研究不多。而水工混凝土的配比与普通混凝土有较大差异，有必要开展研究探索MICP技术在水工混凝土中的应用效果。因此，本次研究在水工混凝土裂缝试件上运用MICP技术，通过抗折强度测试，描述裂缝试件的粘结效果，观察分析胶凝矿物的微观形貌与粘接机理，为MICP技术应用于水工混凝土裂缝修补提供参考。

1 试验方案设计

1.1 试验材料

本次试验选用的微生物为科氏芽孢杆菌，属于化能异养菌，具有好氧嗜碱特点，能适应高碱环境；微生物钙源选用乳酸钙；水工混凝土试件配合比参考某面板坝，即水∶水泥∶砂∶骨料∶粉煤灰=0.5∶1.0∶2.1∶5.0∶0.3，水泥采用PO42.5，砂为细度模数2.78的人工砂，因试件尺寸限制，骨料采用等量人工砂替换，其他添加剂包括高效聚羟酸减水剂与AIR202型引气剂。

1.2 试验方案

从现有研究可以看出，微生物可以有效提高裂缝混凝土的力学性能[13]。为进一步探索微生物在修复水工混凝土中的效果，制备了带裂缝的水泥砂浆试件，利用高浓度菌泥的MICP作用，将裂缝试件粘结后，测试修复后样品的抗折强度，并进一步通过SEM电镜观察胶凝矿物的微观形貌。

1.3 试验步骤

1)制备试件。试件制备上借鉴了王晓梅[14]在混凝土裂缝修复方面的研究，首先根据前述水工混凝土配合比制备Φ10cm×H3cm的水泥砂浆圆饼试件，接着在养护7d后，沿着直径切割出深5mm、宽3mm的凹槽，然后通过MTS将试件沿着凹槽压断，最后将断裂的试件拼合，拼合裂缝按0.2～0.4mm控制，水中养护180d后开展试验，共制备3个裂缝试件。

2)制备菌泥。将科氏芽孢杆菌接种至无菌液体培养基，于恒温摇床内培养48h后，制备成浓度3.6×109cells/ml的菌液，使用台式离心机离心萃取出菌泥备用。

3)配制营养盐。采用乙酸钙与尿素配置成等摩尔浓度的混合溶液(0.5mol/L)。

4)试件粘接。首先将菌泥均匀涂抹在试件断面上，然后将试件拼合并使用橡皮筋固定，最后将营养盐通过花管进入凹槽后渗入裂缝，持续2d后取出试件进入下一步试验。

5)抗折强度试验。通过多功能加载机测试计算粘接试件裂缝的抗折强度。

6)SEM电镜扫描试验。利用SEM电镜观察胶凝矿物的微观形貌，进一步从微观角度分析微生物修复水工混凝土裂缝的机理。

2 试验成果分析

2.1 微生物修复裂缝试件的抗折强度

在微生物修复试件裂缝期间，可以观察到裂缝的周边产生了大量白色晶体，且伴随着浓重的氨气味，修复2d后，断裂试件粘结到一起。抗折强度试验成果见图1。可以看到，3个试件的粘接裂缝抗折强度分别为159.4、188.7、197.2kPa，说明裂缝已成功粘接且具有一定强度，但抗折强度的离散性较大，最大抗折强度与最小抗折强度之间相差20%以上。分析原因认为，试验过程中存在一些难以稳定控制因素，如拼合裂缝的宽度、涂抹菌泥体积、粘接面面积等。试验中，测试了3个试件底部的表观裂缝宽度，分别为0.2、0.4、0.3mm，最大缝宽差异达到100%；涂抹菌泥过程中也会有涂抹不均匀、菌液被挤出的现象。为模拟真实裂缝面凹凸不平的特点，实验中采用压折形成裂缝方式，但同时也存在各试件裂缝面面积不一致而影响粘接效果的不足。

图1 试件抗折强度

2.2 胶凝矿物微观形貌

使用SEM扫描电子显微镜观察试样带胶凝矿物的断裂面，观测点位置示意图见图2，SEM电镜照片见图3。可以看出，胶凝矿碳酸钙存在多种晶型，可以观察到六面体的方解石、针簇状的文石，还有部分表现为球状、莴苣状形貌。3个观测点的碳酸钙晶型构成差异明显：点1处含量较多的是针簇状的碳酸钙结晶，以及少部分的球状、莴苣状碳酸钙；点2处的针簇状结晶的数量显著减少，六面体结晶与球状碳酸钙增多；点3处只能观察到少量针簇状结晶，碳酸钙大都以六面体方解石、球状、莴苣状的形式呈现，同时还可以观察到部分底物。分析原因认为，微生物的生长受到环境因素的影响，靠近凹槽点1处的氧气与钙源充裕，最适宜微生物生长，因此其活性较高，产生的碳酸钙较多；由上到下环境条件越来越苛刻，氧气、钙源含量递减，微生物生长受限，产生的碳酸钙也就越少，到点3处出现底物未充分被碳酸钙覆盖的现象；生成碳酸钙的晶型也受到环境因素的影响，具体原理还有待进一步开展研究。

图2 观测点位置示意图

图3 胶凝矿物微观形貌

2.3 裂缝粘接机理分析

从现有研究来看，MICP技术修补混凝土裂缝的原理为，微生物在砂粒“接触点”处生成碳酸钙结晶，进而增强裂缝混凝土的强度[15]。据此推测本次研究中裂缝试件的粘结模型如下：裂缝试样断裂面拼合后见图4，断裂面之间至少存在一个接触点，接触点上侧类似为V形槽；涂抹菌泥后，菌泥在重力作用下向下流动，接触点以上菌泥残留较多，接触点以下的菌泥残留较少；加入营养盐后，微生物通过新陈代谢生成碳酸钙，将裂缝粘接到一起，接触点上侧由于菌泥、营养盐等较为充裕，产生的碳酸钙较多；接触点下侧则相反，产生的碳酸钙较少。从粘接后的断裂面可以看出，断裂面上部白色碳酸钙明显多于下部白色碳酸钙，分析认为分界线即为前述的“接触点”。

3 结 论

本次研究制备了水工混凝土裂缝试件，并利用MICP技术对其进行粘接，通过抗折强度测试描述裂缝试件的粘结效果，观察分析胶凝矿物的微观形貌与粘接机理。结论如下：

图4 粘接模型示意图

1)MICP技术能成功粘接水工混凝土裂缝试件，粘接裂缝抗折强度在150～200kPa之间，强度离散性较大的原因在于，如拼合裂缝的宽度、涂抹菌泥体积、粘接面面积等因素难以稳定控制。

2)MICP技术形成的胶凝矿碳酸钙存在多种晶型，包括方解石、文石，部分碳酸钙为球状、莴苣状。

3)裂缝接触点通过影响微生物的环境因素，进而影响微生物合成碳酸钙的数量和晶型。

4)本次研究的不足之处在于，未探明影响碳酸钙晶型的具体原理，有待进一步开展研究。