微生物沉积碳酸钙封堵混凝土裂缝的试验研究

贾 强， 姜 欢， 张 鑫

(1.山东建筑大学 土木工程学院， 山东 济南 250100； 2.华润置地(山东)发展有限公司， 山东 济南 250100)

混凝土结构的渗漏问题在土木和水利工程中无法避免且处理困难.传统的有机堵漏材料，如环氧类树脂、聚合物砂浆和高分子灌浆材料等黏性较高，在裂缝中的渗透深度有限，只能封堵较宽、深度不大的裂缝，且其抗老化性能以及与水泥基材料的相容性差.微生物封堵技术在此情况下应运而生.该新型材料固化前黏性很低，可借助负压渗透到裂缝深处.微生物封堵技术不仅可利用微生物沉积矿物质达到封堵的效果，而且能够自动找到渗漏处位置进行有效防渗，可起到探查和封堵二合一的作用.另外，利用微生物诱导沉积生成的方解石性质稳定，与混凝土材料的结合性好[1].

1973年，Boquet等[3]发现自然界中有些微生物能够利用自身的生命活动诱导CaCO3沉积.此后该技术不仅用于修复水泥基表面缺陷，还用于固砂和加固地基等.Maaike等[4]向装满砂的PVC管中灌注营养物质，使管中央隔板上的小孔得到封堵.王剑云等[5-6]以琼脂为载体，将菌株、营养盐和钙源涂刷在有缺陷的水泥石表面，形成了1层致密的不透水层，使水泥石吸水率降低到试验前的15%以下.彭裕生等[7]利用巴斯德芽孢杆菌、尿素和CaCl2溶液封堵人造岩芯裂缝，试验表明在较宽裂缝内先填注砂或石英粉，再用细菌堵塞裂缝的措施非常有效.Zhang等[8]针对有渗漏孔的砂柱分别灌入普通马铃薯液和含硫酸亚铁的马铃薯液，进行封堵对比试验，发现上述2种方式均出现较明显的封堵现象，单位时间内的渗漏流量显著降低.贾强等[9-10]利用巴氏芽孢杆菌产生的CaCO3沉积对混凝土竖向裂缝进行封堵.总体而言，以上研究并未针对裂缝的宽度、深度等影响封堵效果的主要因素开展系统性研究，封堵机理尚不明确.本文针对微生物沉积CaCO3封堵混凝土水平裂缝进行了试验研究，以期为该技术的推广和应用提供理论支持.

1 菌种培养

试验选用巴氏芽孢杆菌(Bacillus pasteurii).其培养基为20g/L酵母提取物、10g/L硫酸铵、2g/L氢氧化钠(pH=9)和10μmol/L氯化镍；培养过程包括高温灭菌、接种，恒温振荡培养箱内培养，检验菌液所含酶的活性以及取出菌液4个步骤；菌液培养时间设定为20h，温度设定为30℃.为保证供给细菌充足的氧气，振荡床转速为210r/min.每次可培养1.6L菌液供试验用.

利用电导率仪检测菌液的酶活性，其基本原理是：巴氏芽孢杆菌产生的尿素酶可将尿素分解为NH3和CO2，若细菌产生的尿素酶越多，则单位时间内分解出的NH3和CO2越多，溶液的导电能力就越大.用移液枪吸取5mL培养好的菌液加入到1.1mol/L的45mL尿素溶液中，测得其5min电导率值为0.469S/m.

营养盐采用尿素溶液，钙源采用硝酸钙(Ca(NO3)2·4H2O) 溶液.两者体积比为1∶1，浓度均为1.1mol/L(营养盐和钙源溶液浓度是在优化试验的基础[11]上选定的，这里不再赘述).

2 混凝土试件裂缝的制作

为保证在混凝土裂缝中顺利灌入菌液、营养盐和钙源溶液，混凝土试件设计了灌浆槽.具有一定长度、宽度和深度的水平裂缝设置在灌浆槽底部.试件的剖面图见图1.试验采用预埋钢板(钢板厚度选为0.3，0.5，1.0，1.5mm)的方法制作裂缝，钢板厚度即为裂缝宽度，裂缝深度均为180mm,裂缝长度均为100mm.钢板埋入混凝土前，在其表面涂刷薄薄的1层润滑油，以确保钢板能够顺利拔出.另外混凝土试件浇筑初凝之后到终凝之前每隔0.5h抽动钢板一次，以防止钢板与混凝土粘连.

图1 试件剖面图Fig.1 Profile of specimen(size:mm)

3 试验过程

混凝土裂缝的封堵试验采用向较窄裂缝内部直接灌浆(灌注菌液、营养盐溶液和钙源溶液)和向较宽裂缝内预填细砂等介质再灌浆这2种处理方式.当采用缝内直接灌浆处理方式时，在裂缝外侧浆液流出口处用纱布封闭，以保证水从纱布渗出而菌种等被保留在裂缝内.

缝内直接灌浆流程每3d进行1次，每次灌入200mL菌液和300mL(营养盐+钙源)的混合溶液.以上灌浆过程重复7次，每次灌浆时均记录细菌酶活性、试验室温度、反应现象及渗水试验结果.

将细砂筛分得到的粒径小于0.8mm的砂粒填入较宽裂缝中，然后按照前述缝内直接灌浆流程灌入200mL菌液和300mL(营养盐+钙源)的混合溶液.

以上2种灌浆方式，每次灌浆完成的2d后进行渗水试验.渗水试验前先将纱布和棉花清除，避免干扰渗水结果.渗水试验时，向灌浆槽内灌入2L水，用容器在裂缝外侧浆液流出口收集裂缝内流出的水，记录5min内流出水的体积，用每min流出水的平均流量表示渗水速度，渗水速度越小说明裂缝的封堵效果越好.

4 试验结果

4.1 试验现象

向灌浆槽内注入菌液、营养盐和钙源的混合溶液，10min后槽内有大量白色絮状物生成，而裂缝外侧封闭的纱布中只有少量水流出；随着灌浆次数的增多，流出的水量逐渐减少甚至消失；待灌浆槽内干燥后，发现槽底有大量白色沉积物.

4.2 裂缝内直接灌浆处理方式

7次缝内灌浆处理后，不同宽度(0.3,0.5,1.0,1.5mm)裂缝灌浆后的渗水速度与灌浆次数关系曲线如图2所示.

图2 不同宽度裂缝灌浆后渗水速度与灌浆次数关系曲线Fig.2 Relationship between outflow velocity and groutingtimes with different crack widths

由图2可知，宽度为0.3，0.5mm的裂缝经过3次和4次灌浆处理后成功封堵了裂缝，而宽度为1.0，1.5mm的裂缝虽经7次灌浆处理，仍未能成功封堵裂缝，但渗水速度均有大幅度降低，降幅分别为63%和47%.由此看出：缝内直接灌浆的处理方式适合于细小裂缝，裂缝越小封堵效果越明显；而较大裂缝进行缝内直接灌浆处理时，短期内并不能完全封堵裂缝，原因在于沉积的CaCO3在较宽裂缝内不易实现“架桥作用”，在渗水试验中容易被冲出，随着灌浆次数的增多，缝内沉积的CaCO3厚度增加，裂缝变窄，渗水速度才有所降低.

4.3 裂缝内预填介质再灌浆处理方式

裂缝内预填细砂再完成7次灌浆处理后，不同宽度(1.0,1.5mm)裂缝灌浆后的渗水速度与灌浆次数关系曲线如图3所示.

图3 不同宽度裂缝预填介质灌浆后渗水速度与灌浆次数关系曲线Fig.3 Relationship between outflow velocity and grouting times with different crack widths after pre-filled treatment

由图3可见，2条曲线均呈下凹形，表明在初期灌浆处理时，渗水速度降低显著，而后期渗水速度降低放缓.与图2中裂缝宽度1.0，1.5mm的曲线相比可知，裂缝内填入介质后经过4～5次灌浆处理即可实现完全封堵，封堵效果显著提高.

裂缝内预填介质再灌浆的方式对较宽裂缝很适用.这是因为：一方面，在裂缝内预填介质间接减小了裂缝宽度，增大了裂缝内壁的摩擦度，增加了固相CaCO3被捕获的概率，使架桥封堵顺利进行；另一方面，在裂缝内预填的介质组成了多孔结构，为CaCO3沉积提供了大量场所.

4.4 超声波检测结果

针对缝内直接灌浆处理方式下宽度为0.3mm的裂缝，采用超声波对封堵前后裂缝中的CaCO3密实度变化情况进行检测.超声波检测采取平测方式，在裂缝上下各布置5个测点，上下测点间距为50mm，测点平面布置图见图4.裂缝封堵前后超声波检测结果见表1，2.由表1，2可以看出：在裂缝封堵前，3#测点处的声时最长(57.9μs)，这是由于该测点位于跨越裂缝的上、下两端，裂缝隔断了声波直线传递路径，因此需要更长的传递时间；裂缝封堵后，3#测点处声时在5组测点中虽然还是最大，但与其他4组已很接近，说明裂缝封堵后CaCO3密实度已接近混凝土试件.

图4 超声波检测裂缝测点布置Fig.4 Measuring points arranged in layout of crack(size:mm)

No.Phonation time/μsSpeed/(km·s-1)Amplitude/μm1#32.42.16120.932#31.92.19117.823#57.91.21122.814#33.92.06122.085#34.92.01118.20

表2 裂缝封堵后超声波检测结果

5 结论

(1)裂缝内直接灌注菌液、营养盐和钙源溶液的封堵方式较适合于细小裂缝(宽度0.5mm以下)，裂缝越小封堵效果越显著，经过几次灌浆即可实现完全封堵；但缝内直接灌浆方式对较宽裂缝的封堵效果较差，原因在于沉积的CaCO3在较宽裂缝内不易实现“架桥作用”.

(2)对较宽裂缝来说，缝内预填细砂等介质再灌浆方式可有效提高裂缝的封堵效果.这是因为裂缝内预填介质间接减小了裂缝宽度，增大了裂缝内壁的摩擦度，增加了固相CaCO3颗粒被捕获的概率，使“架桥作用”顺利进行.

(3)经超声波检测发现，CaCO3沉积封堵后的裂缝材料密实度接近混凝土试件.

本文用预埋钢板的方法制作裂缝，裂缝内表面粗糙度与自然状态开裂的裂缝存在差别，因此应用于工程时尚需做更多的现场模拟试验.