微生物矿化作用下的混凝土性能强化研究

孙 彬 陶佳丽

（山西工程技术学院,矿区生态修复与固废资源化省市共建山西省重点实验室培育基地,山西 阳泉 045000）

在混凝土的使用过程中,经常会出现裂缝,如果没有及时修复,会引起腐蚀和其他问题[1-2]。近年来微生物诱导碳酸钙沉淀 (Microbially induced carbonate precipitation,MICP) 技术逐渐被用于混凝土试件的修复、混凝土性能的强化等方面[3-8]。二十世纪九十年代开始,国内外研究人员对其作用机制进行研究[9-13]。本文利用一株耐碱菌株（蜡样芽孢杆菌Bacillus cereus）进行微生物水泥试件的制备,同时对微生物水泥进行强度测试和孔隙度测试,进而分析微生物在增强水泥性能和水泥修复方面的作用。

1 材料与方法

1.1 实验菌株

液体培养基配方：称取5g 牛肉膏,10g 胰蛋白胨,5g氯化钠,溶解于蒸馏水中,定容到1L。滴加NaOH 溶液（1mol/L）调节培养基酸碱度,最终使pH=7.2,高温灭菌。

本研究选择蜡样芽孢杆菌（Bacillus cereus）进行实验,其属于一株耐碱细菌。

将保存的菌株室温解冻,接种于固体培养基中,30℃培养12h,挑取单个菌落接种到液体培养基中培养,待菌生长到一定量时,用分光光度计检测菌液在600nm波长下的吸光度,OD600nm=0.8-1.0 时,即可作为种子液用于微生物诱导方解石实验和混凝土柱子的制备。

1.2 蜡样芽孢杆菌诱导方解石

配置诱导方解石的培养基：在上述的液体培养基中添加CaCl2,使培养基中Ca2+离子浓度达到0.01mol/L,高压灭菌,待培养基冷却后,在培养基中加入Na2CO3和NaHCO3溶液,以上2 种溶液均经过过滤高压冷却后使用,最终使诱导培养基中Na2CO3和NaHCO3的浓度均为0.04mol/L。

本研究分为实验组与对照组,实验组将1.5mL 菌液接种于150mL 诱导培养基中,对照组将1.5mL 无菌蒸馏水加入到150mL 诱导培养基中,130rpm,37℃培养,每隔48h 取样进行碳酸酐酶活性检测。连续培养7 天后,取出培养基底部的沉淀,用无水乙醇洗涤。利用XRD 确定沉淀的晶体类型,利用扫描电镜（SEM）和能谱（EDS）对沉淀进行微观形貌和元素分析。

1.3 制备混凝土试件

水泥型号选择PA32.5；沙子选择石英砂,用直径为2mm 的筛子筛过后备用。

将水泥、石英砂与液体组分按8：10：3 的比例混合（表1）,混合的过程中充分搅拌使其成分均匀。根据所用液体成分的不同,将实验试件分成A、B、C、D 四组。使用内径50mm,高度100mm 的模具制作混凝土试件,放入温度为20℃,湿度为95%的恒温恒湿箱内。分别取养护7 天、21 天、28 天的混凝土试件,对其进行后续测试。

表1 混凝土试件配方

1.4 混凝土试件的抗压强度与孔隙度测试

在土木和地质工程领域,常用混凝土的强度来评价其质量等级。通过混凝土试件的抗压强度指标来评价混凝土。制作好的混凝土试件经过剖光打磨,之后测试其无侧限单轴抗压强度。同时,取养护28 天的混凝土试件进行孔隙度测试。

2 实验结果

2.1 细菌诱导得到方解石

培养7 天之后,对照组培养基呈清澈状,无沉淀产生；实验组培养基变浑浊,底部可见沉淀。实验组沉淀的XRD 结果可知,沉淀为方解石（图1）。微生物成因的方解石的形貌与菱形方解石晶体明显不同,呈现哑铃型,大小在10 μm 左右,晶体表面粗糙,有许多微米级别的颗粒组成（图2（a））,主要元素包含Ca、O、C 和少量的Na、Mg（图2（b））。综上,推断矿物为方解石。

图1 蜡样芽孢杆菌诱导得到的沉淀的XRD 结果

图2 蜡样芽孢杆菌诱导得到的方解石形貌（a）及元素组成（b）

2.2 蜡样芽孢杆菌的方解石形成机制

蜡样芽孢杆菌在培养2 天、4 天、6 天的时候,碳酸酐酶活性分别是12.45 U/L、9.99 U/L 和9.89 U/L,表明该菌具备碳酸酐酶活性。

大量的研究表明,细菌分泌的碳酸酐酶在诱导碳酸盐矿物形成的过程中发挥着不可或缺的作用[15-16],为碳酸钙等矿物的形成创造有利的环境。碳酸酐酶可以促进二氧化碳的水合作用,生成碳酸氢根与碳酸根（反应式（1）、（2））,其催化速率可以达到106/s。

碳酸氢根与碳酸根含量的升高加速了碳酸钙的沉淀（反应式（3））。

通过上述过程,细菌可以通过分泌的碳酸酐酶为碳酸钙的沉淀提供一个超饱和的环境。同时,细菌及其胞外聚合物表面的负电荷可以吸附钙离子,形成超饱和的微环境,从而促进碳酸钙的沉淀,因此,本研究认为细菌及其胞外聚合物在这一过程中起到成核位点的作用。

2.3 微生物混凝土强度测试

在对混凝土试件进行抗压测试后,发现试件出现破裂面,破裂面多贯穿试件的顶底面。混凝土试样的无侧限抗压强度测试结果如图3 所示,恒温恒湿箱内放置7天的混凝土柱子,A 组样本的峰值强度最低（18.30MPa）,而B 组样本的峰值强度为20.59MPa,C 组样本的峰值强度为25.16MP,D 组样本的峰值强度为31.90MPa,整体呈现增高趋势。在恒温恒湿箱内放置21、28 天的混凝土柱子呈现同样的变化趋势。值得注意的是,随着天数的增加,各组混凝土柱子的抵抗压力破坏强度的能力不断增强,结果表明混凝土样品的强度与养护时间呈正相关。

图3 混凝土样品的抗压强度实验结果

养护时间相同的情况下,液体成分为培养基时（B组）,混凝土的强度高于液体为蒸馏水的混凝土（A 组）,推测是培养基中有机官能团与混凝土颗粒表面之间存在吸附作用。液体为接种细菌的培养基的（C 组）,混凝土的强度再次增强,推测是细菌及胞外聚合物可以对混凝土的内部结构产生影响。接种细菌且添加CaCl2的培养基的混凝土（D 组）,混凝土强度达到最高值,研究推断培养基中的Ca2+可以与CO32-、HCO3-结合,生成CaCO3沉淀（反应式3）。碳酸钙作为胶结物,将混凝土中的砂、石灰粘结在一起,提高了混凝土样品的强度。

2.4 混凝土孔隙率

混凝土试件孔隙度测试结果如图4。A 组混凝土试件的孔隙度达到16.42 %；B 组、C 组、D 组混凝土试件的孔隙度分别为13.00 %、10.20 %、9.40 %,孔隙度数值依次降低,这表明混凝土试件的孔隙减少,因此,混凝土的密度增大,强度增大,性能得到强化。

图4 混凝土试件孔隙度实验结果

3 结论

蜡样芽孢杆菌分泌的碳酸酐酶催化了二氧化碳的水合作用,为方解石提供超饱和的微环境。碳酸钙沉淀在混凝土的孔隙中起到胶结物的作用,增加颗粒之间的粘聚力,从而提高强度；同时,碳酸钙占据了原有的部分孔隙,从而降低了混凝土样品的孔隙度。微生物诱导方解石为混凝土的性能强化、裂隙修复提供了一种可行的方法。