混凝土裂缝的微生物自修复效果

【摘要】本文主要分析了混凝土裂缝的微生物自修复的相关问题，讨论了混凝土裂缝的微生物自修复的具体原理，论述了混凝土裂缝的微生物自修复效果，以期可以为混凝土裂缝的微生物自修复工作提供参考。

【关键词】混凝土；裂缝；微生物；自修复效果

中图分类号：TU528文献标识码： A

一、前言

目前，混凝土裂缝问题仍然困扰着很多的施工人员，如何更好的解决混凝土裂缝问题，是工程项目施工人员必须要重点考虑的问题，因此，探讨混凝土裂缝的微生物自修复技术非常有必要。

二、混凝土裂缝产生原因分析

混凝土初凝过程中水化热所产生的温度变化和混凝土收缩的共同作用产生温度应力和收缩应力是大体积混凝土结构开裂的主要因素,混凝土“内热外冷”极易产生裂缝。

混凝土硬化过程中收缩产生裂缝也是大体积混凝土开裂的主要因素，经过实际施工经验总结发现，在设计配合比中时，混凝土中的用水量和水泥用量越高，该种配合比的混凝土的收缩就越大；

在施工组织时或混凝土拌合站，采购的水泥成分不符合要求或水泥安定性不合格是大体积混凝土裂缝产生的常见因素；

施工队伍专业化程度不够，施工作业程序不规范、施工技术措施不适当等是大体积混凝土开裂的经常发生的主要原因这一；

大体积混凝土施工特点方面的原因：大体积混凝土结构钢筋密、由于体积过大，混凝土一次浇注量大、施工时间长、施工工艺要求高、受环境影响大，工程实践证明，大体积混凝土施工难度比较大，混凝土产生裂缝的机率较多。

基础沉陷或不均匀沉降产生裂缝：沉陷裂缝的产生是由于结构地基土质不匀、松软，或回填土不实或浸水而造成不均匀沉降所致，或者因为模板刚度不足，模板支撑间距过大或支撑底部松动等导致混凝土出现沉陷裂缝，特别是在冬季，模板支撑在冻土上，冻土化冻后产生不均匀沉降，致使混凝土结构产生裂缝。

三、微生物修复水泥基材料裂缝的机理

一般认为,微生物引起矿物沉积是因为潮湿环境里厌氧微生物新陈代谢生成尿素酶,尿素酶水解尿素生成氨气和二氧化碳,然后二氧化碳与周围溶液中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀。微生物的作用不仅仅是生成尿素酶,而且为碳酸钙的沉积提供了成核地点。微生物引起的矿物沉积过程中所发生的复杂的化学反应可以简化为:

传统混凝土的组分是水泥、砂子、石子、矿物掺合料和一些化学外加剂。用于混凝土裂缝修复的微生物，如:巴氏芽抱杆菌、巴氏芽抱八叠球菌(PsorosearinaPaseturi)、科氏芽抱杆菌(acilluscohnii)、耐盐芽抱杆菌(bacillushalodunars)、绿脓杆菌(Raeurginosa)、希瓦氏菌(shewnaella)、大肠杆菌及与微生物生长、繁殖、采集以及修复相关的一些物质(培养基、缓冲液、提供沉积用的外界钙离子介质溶液等)对水泥基材料的性能会有些什么样的影响呢?修复混凝土的裂缝是为了增强混凝土的性能,混凝土的性能当然不能因为裂缝修复所用的微生物等物质而降低,否则微生物修复就失去了意义。

四、试验材料与方法

1、试验用微生物

水泥基材料水化后其内部为高碱环境，pH值约为12～13［10］，因此所选菌株应该具有较强的耐碱性．本课题选用从高碱性盐湖土壤中提取出来的嗜碱芽孢杆菌，通过多次耐碱性选育，成功培育出耐碱性较强且可以产生碳酸钙晶体的改良嗜碱芽孢杆菌。

2、试件制作

本试验所用水泥型号为PⅡ52．5;水灰比为0．33;底物用量为水泥质量的2%．试验配合比见表1。

其中，菌泥为离心后的浓缩菌液，采用陶砂负载菌体，在菌液中浸泡24h后使用．试件尺寸为40mm×40mm×160mm，试件中菌体数量约为2×108个/cm3．成型好的试件放进20℃且湿度大于90%的标准养护室内养护7d，然后制作裂缝。

3、试件的修复养护

为了提供微生物修复裂缝的适宜环境，将产生裂缝的试件放到恒温30℃水箱中进行养护．当裂缝中充满水时，底物可以溶解到水中，通过混凝土中的孔隙运输到裂缝表面，为细菌的矿化作用提供原料．因为本试验采用的细菌是好氧菌，因此在水箱中通入氧气。

4、表征方法

首先利用裂缝测宽仪对不同龄期的裂缝进行宽度测量并记录，通过修复前后的宽度对比表征表面裂缝的修复效果;其次用切割机将裂缝整体取出，将试件沿裂缝处掰开，取其中一个裂缝断面并将其放到扫描电镜下，观察沿裂缝深度方向生成物质的分布情况;最后取另一断面，利用锉刀沿着裂缝断裂面往基体中磨下去，将磨出的粉末收集并对其进行TG分析，每磨出一定量的粉末便用游标卡尺量出剩余厚度，以此计算出粉末在裂缝宽度方向上的区间范围，从而分析碳酸钙在裂缝宽度方向上的分布情况。

四、试验结果与分析

为了方便对裂缝修复效果进行表征，试件中裂缝的3个方向分别用x轴、y轴和z轴表示，其中x轴表示裂缝深度方向，y轴表示裂缝宽度方向，z轴表示裂缝长度方向。

图1裂缝内部不同方向示意图

1、不同龄期试件表面裂缝的修复效果

试件裂缝修复效果最直接的表征方法是直接观察法，通过修复前后的裂缝宽度对比，判断裂缝是否被填充完毕，不同修复时间的照片如图2所示，图中A，B，C表示同一条裂缝的3个不同部位．试验采用混凝土裂缝测宽仪分别检测A，B，C三处不同龄期裂缝的宽度，结果如表2所示。

图2不同修复时间的裂缝填充程度

通过图1中不同龄期的照片以及表2中不同龄期的裂缝宽度的对比，可以发现，随着龄期的延长，裂缝处的碳酸钙晶体含量增加，裂缝宽度变小，到40d左右时表面处裂缝被碳酸钙晶体完全填充，从而可以有效地阻碍有害物质侵入混凝土内部。

2、通过扫描电镜显微分析，不仅可以发现裂缝处的填充物可能为碳酸钙晶体，对比底物的形貌图，还可以判断水泥石表面的少量针状物就是随着水泥砂浆孔溶液析出到裂缝中且尚未被微生物分解的底物．进一步对裂缝沿x轴方向的取点分析表明，沿裂缝x轴方向距裂缝口10mm范围内均有碳酸钙生成，且其含量随着深度的增加越来越低．主要原因是微生物的矿化作用需要合适的环境条件，裂缝口处的氧气含量最高，这里的微生物酶催化作用最为强烈，底物的分解率最高，产生的碳酸钙也就最多．越往裂缝深处即沿着x轴方向，环境条件越来越苛刻，不利于微生物生长，相应的碳酸钙的产率也就越低，而未被分解的底物数量也越多。

3、热重分析

为了进一步研究碳酸钙在裂缝y轴方向上的分布，利用热重分析对碳酸钙进行定量分析．在y轴方向上对试件取样，取样范围如表3所示．对裂缝y轴方向上的碳酸钙进行定量分析。

样品1、样品2在700℃左右时失重最大，样品3、样品4其次，而样品5最少．由于样品1、样品2在裂缝附近较近范围以内，其中的底物已经几乎完全分解;而在试件的成型初期，底物的添加量只有2%，认为样品3、样品4中剩余的少量底物含量对热重曲线影响不大，亦可以忽略不计．另外样品5中几乎不含碳酸钙，故以样品5为基准，认为其中的碳酸钙含量为0，以此可以求出其他样品中的碳酸钙含量．

最后阶段的质量损失就是TG曲线上700℃左右范围内的质量下降;认为样品5的质量损失全部来自于水泥净浆，那么其他样品较之于样品5多出来的质量损失便来自于碳酸钙的分解，由此便可以计算出各样品中碳酸钙的质量及其含量．

沿着裂缝y轴方向碳酸钙的含量总体呈现不断减少的趋势，在距离裂缝断裂面表层1．5mm范围内碳酸钙含量较高，平均达到20%以上;在距离裂缝截面表层1．5～2．0mm范围内含量较低，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形成．

表1沿裂缝y轴方向的碳酸钙含量定量分析

4、研究结果

（一）随着龄期的增加，混凝土裂缝处的碳酸钙晶体数量增加，裂缝宽度逐渐变小，到40d左右时表面的裂缝被碳酸钙晶体完全填充。

（二）扫描电镜分析结果表明，在裂缝深度x方向上，裂缝表面10mm范围内均有碳酸钙生成，生成的碳酸钙晶体随着深度的增加逐渐减少．当裂缝深度处于10mm以下的位置时，几乎没有碳酸钙生成。

（三）热重分析表明，沿着裂缝y轴方向碳酸钙的含量总体呈现不断减少的趋势，在距离裂缝断裂面表层1．5mm范围内碳酸钙含量较高，平均达到20%以上;在距离裂缝截面表层1．5～2．0mm范围内含量较低，平均只有8%左右;而再往水泥基体中深入则几乎没有碳酸钙成。

五、微生物修复后混凝土的性能

修复后混凝土的性能研究主要分为短期和长期2部分，其中短期性能包括可修复裂缝尺寸以及修复后力学强度特性，长期性能则主要针对混凝土的耐久性而言，包括吸水性、抗渗性、抗碳化及氯离子渗透性、抗冻性等．笔者认为，微生物修复对于混凝土的长期耐久性来说具有更为重要的意义，且其带来的修复价值是其它手段无法比拟的．

1、短期性能

所有研究者的结果均显示微生物沉积能够有效修复混凝土裂缝，仅在裂缝修复尺寸方面却有所差异。在人为造成试件表面产生多缝开裂后，将试件浸没于水中放置１００ｄ．经２０ｄ后掺有微生物的试件与基准试件表面的裂缝都有同等程度的愈合，这是因为基准试件中仍存有的未水化水泥能在一定程度上愈合裂缝．然而，随着龄期增长，掺有微生物的试件的裂缝愈合程度也不断增长，相比之下基准试件没有变化。

分析表明，微生物矿化沉积出的大量碳酸钙包裹于砂粒表面，在砂粒与砂粒之间起到了一定的胶结作用，使砂粒紧密固定于水泥石裂缝中，而非呈现松散状态，这也是强度来源的关键。

2、长期性能

微生物矿化沉积产物不仅填充了裂缝，还能在一定程度上堵塞裂缝周边的孔隙，使得孔隙率下降，由此可预见混凝土耐久性将得到不同程度的提高，几乎所有的研究结果都证实了这一点。

六、结束语

总而言之，混凝土裂缝的微生物自修复还是较为科学和合理的技术，针对当前混凝土裂缝的情况，微生物自修复确实具有良好的效果，能够较好的解决混凝土裂缝问题。

【参考文献】

[1]袁雄洲,孙伟,陈惠苏.水泥基材料裂缝微生物修复技术的研究与进展[J].硅酸盐学报,2009,01:160-170.

[2]张芳.混凝土裂缝修复技术及材料的研究[D].大庆石油学院,2009.12

[3]康能能.混凝土裂缝智能修复综合系统的初步研究[D].重庆交通大学,2010.13

[4]高礼雄,孙国文.微生物技术在混凝土裂缝自修复中应用的研究进展(英文)[J].硅酸盐学报,2013,05:627-636.