基于微生物矿物沉积的混凝土开裂自愈合★

闫睿 赵胤 杨豪 李佳鹏 刘瑶

(东北林业大学土木工程学院，黑龙江哈尔滨 150040)

0 引言

混凝土是目前世界上使用量最大、应用范围最广的工程材料，但因其弹性模量和抗拉强度较低，在外部载荷与温度作用下不可避免地会产生微裂缝，这些微裂缝会极大降低混凝土的抗渗性、抗氯离子侵蚀以及抗碳化能力，因此，裂缝的修复方法一直以来都是学术界和工程界关注的焦点。基于此，提出了微生物混凝土裂缝自修复性能研究。

1 试验方案

在水泥砂浆中使用细菌来确定混合物裂缝自愈合效果。试验采用枯草芽孢杆菌，沸石作为固定细菌和营养物的载体，采用不同引入技术掺入水泥砂浆，以评估对自愈合效果的影响。沸石如图1所示。

1.1 微生物和载体的选取

细菌的选取需要满足一定的要求，它应该是好氧的，能适应水泥砂浆的高压、高碱环境，并且能够诱导乳酸钙产生碳酸钙。本项目所选细菌为枯草芽孢杆菌，它符合在恶劣环境下生存的必要条件。

细菌不能直接添加到混凝土中，会降低细菌活性和活力。因此，选择沸石作为细菌保护载体，由于其比表面积大和孔隙率高而用于固定微生物。

图1 烘干的沸石

1.2 水泥砂浆试样的制备

制备水泥砂浆的水泥采用P.O42.5普通硅酸盐水泥;细骨料为普通河砂，细度模数2.8;制备试件的水为自来水。

用掺入的细菌诱导沉积碳酸钙，需要在浇筑过程中提供合适的矿物基质和营养物。乳酸钙被选为钙源;酵母提取物因其在混凝土中的成功应用而被选为细菌生长培养基。

本试件水灰比为0.5，沸石按照等质量替换河砂的方式，设计了3组配合比，其中B0为对照组，未掺加菌液;B1组是在水泥砂浆混合物搅拌过程中直接掺入细菌溶液，未使用任何保护载体;B2组是使用沸石作为载体掺入细菌溶液的试样。表1显示了3种混合物的配合比。

表1 混合物配合比

试样尺寸采用50 mm×50 mm×50 mm立方体，水泥砂浆试件搅拌后，装模振捣，将模具放在振动台振动10次后用抹子刮平，24 h脱模后在恒定的湿度和温度条件下养护，然后取出备用。

1.3 裂缝制备与自愈合养护

制备裂缝时，将试样在压力试验机下缓慢加载，速度控制在0.3 MPa/s左右，当试件发生咔咔的破裂声而不会完全断裂成两半时停止加载，最终在上下表面中心处获得宽度不同的纵向微裂缝，裂缝宽度控制在1 mm以内。

制造完裂缝后，为了便于在显微镜下观察裂缝愈合效果，在选中观测裂缝的垂直方向每隔1.0 mm标记一条横线，大约选择5个观测点。三组试件裂缝养护均采用湿养护，将试件放在装有水的塑料盆中进行裂缝愈合养护，定期往塑料盆里补水，保持水面始终高于试件;三组试件分别养护7 d，14 d和28 d后对标记裂缝处进行裂缝愈合宽度测量，通过观察裂缝宽度变化确定自愈合效果。

1.4 表面裂缝修复情况

在开裂试件养护7 d，14 d和28 d后观察并测量裂缝宽度，开始宽度和后期裂缝宽度的差值作为自愈合的度量。

2 试验结果与分析

根据对裂缝宽度进行测量，确定试件的自愈过程有效性。水中修复养护7 d时，未添加愈合剂的B0组试件裂缝愈合效果不明显，直接添加愈合剂的B1试件表现出部分裂缝愈合，沸石固载愈合剂的B2组试件裂缝愈合效果显著;当修复养护达到28 d时，B0和B1组试件的表面开裂裂缝没有发生明显的愈合，B2组试件裂缝完全愈合，裂缝被连续的白色沉淀物填充。

3 结语

本文研究了微生物诱导的水泥砂浆裂缝自愈行为。在开裂养护7 d，14 d和28 d后，对裂缝愈合试样的自愈能力进行评估。研究结果表明，与其他两组试件相比，用沸石固载细菌的混凝土试样在开裂养护早期裂缝愈合效果显著;随着养护龄期的增加，修复速度减缓，但0.1 mm以下的裂缝最终能被完全修复。这主要是由于养护早期，微生物诱导的碳酸钙沉积在微生物细胞表面和砂浆孔内;养护后期，随着水化反应的进行水泥基内部环境对细菌孢子的生存造成很大影响。用微生物诱导矿物沉积填充混凝土裂缝既能有效填充修复裂缝，抵御氯化物、二氧化碳等有害物质的渗透，又能降低对混凝土耐久性的不利影响。