芽孢杆菌修复剂修复再生混凝土裂缝试验研究*

张为民，刘 超，，权宗刚，浮广明，朱 超，刘化威

(1. 西安建筑科技大学 理学院, 西安 710055； 2. 西安墙体材料研究设计院有限公司, 西安 710061；3. 西安建筑科技大学 土木工程学院, 西安 710055)

0 引 言

伴随着世界经济的快速发展，全球范围内近十年的大数据统计都指明：基础设施和居民住房的兴建会产生大量的建筑垃圾，并且伴随着拆建废物随意处置、非法倾倒以及缺乏具体规范控制的情况会导致掩埋堆填场地不足和环境进一步的恶化[1]，再生混凝土是取再生骨料部分或全部取代天然骨料制备而成的混凝土[2]，其具有消耗建筑垃圾、实现建筑垃圾资源转化及减少天然石料资源消耗的优势，同时兼备接近于天然骨料混凝土的性能[3]。Gholamreza F.等人[4]的实验表明不同龄期再生骨料混凝土的徐变收缩受混合配比法影响十分明显。这种现象主要是由于再生骨料附着砂浆的性质所引起的。Fonseca N.等人[5]也进行了相关实验，将抗压强度、劈裂拉伸强度、弹性模量及耐磨性作为因素点。由此发现：在机械性能方面，再生混凝土受固化条件的影响与天然混凝土相同。但是，随着再生骨料取代率的上升，弹性模量和劈裂拉伸强度都有损失。外环境下的更高取代率的再生混凝土较于天然混凝土更容易受到影响。

裂缝是混凝土结构破坏的主要因素之一，内部钢筋受侵蚀影响导致结构失效问题日益突出。然而，国内外关于混凝土的开裂研究主要在减少前期开裂下进行，其开裂后或修复开裂的性能研究较少。Maria A.等人用聚酯(甲基丙烯酸甲酯)制成的聚合物圆柱形胶囊，用于在自愈合中携带愈合剂，通过裂缝展开引起的胶囊破裂进而对相关混凝土结构进行修复[6]。Mohamed A.等人[7]将膨胀珍珠岩用于固定芽孢杆菌孢子的载体组件。实验结果表明：自我修复不仅仅是具有足够的愈合化合物的要求，而且还需要适宜的载体环境。因而混凝土开裂后激发有效修复实现弥合裂缝的结构能够实现但存在相关难点。

目前，国内外对于再生混凝土结构开裂下及开裂修复后性能的研究尚处于起步阶段，缺乏必要的评价方法，因而在很大程度上限制了该类自修复结构的进一步推广应用。为此，本文作者以课题组前期进行的芽孢杆菌浓度、再生粗骨料取代率为主要变化参数完成的24 根自修复再生混凝土短柱的开裂后修复性能试验为基础[8-12]，进一步深入对比分析芽孢杆菌对再生混凝土短柱在开裂后修复性能激发规律，以期为再生混凝土结构裂缝耐久性的进一步深入研究和工程应用提供参考和依据。

1 试 验

1.1 实验材料

再生混凝土是由PC32.5R水泥、自来水、天然砂、天然骨料及再生粗骨料混合搅拌而成。再生粗骨料是来自陕西西安某环保科技公司的建筑垃圾资源化生产线，经破碎机破碎，经筛分、清洗，干燥后取得粒径为5～15 mm，且连续级配。芽孢杆菌选取来自陕西省微生物研究所的巴氏嗜碱芽孢杆菌，经培养、增殖、混合后成为芽孢杆菌混合液。再生骨料与芽孢杆菌液于负压真空泵中负压吸附30 min后放置恒温烘箱40 ℃烘干24 h。混凝土按C30配制，试样尺寸采用160 mm×40 mm×40 mm。再生混凝土配合比设计是以取代率为基准，再生骨料作为修复裂缝的载体存在且不同取代率时仅改变再生粗骨料与天然骨料的比例，骨料总质量保持不变。混凝土试样配合比设计详见于表1。

1.2 试件设计与制作

以芽孢杆菌浓度和再生粗骨料取代率为变化参数，共设计并制作了24个具有芽孢杆菌修复能力的再生混凝土短柱试件和6个普通再生混凝土对照试件。试件的取代率考虑10%，30%，50%及100%4种，芽孢杆菌的浓度考虑15%，30%，45% 3种情况。试件中选用普通砂细度模数为2.6，其堆积密度为1 300～1 600 kg/m3；试件设计水灰比为0.48，经手工搅拌制备且在试件成型后静置24 h脱模后大于90%RH条件下养护一周后预置裂缝。

1.3 附着装置

采用负压真空泵及压力容器(图1) 对再生粗骨料进行负压芽孢杆菌吸附， 其恒定压力达到0.6 MPa负压真空浸渍。载体在压力容器内真空将芽孢杆菌吸附进入孔隙，关闭进气阀并启动负压泵抽取空气。当压力达到设定压力后，恒压30 min。然后关闭电源，打开进气阀，载体于无菌恒温烘干箱40 ℃烘干24 h后冷却至常温。

表1 试样配合比

注：每组共6个试件，除RC0组外，其余组试样掺加载体附着芽孢杆菌浓度分别为15%(2个)，30%(2个)及45%(2个)。

图1 载体吸附装置Fig 1 Carrier adsorption device

1.4 加载及裂缝预置方式

试件经制备自然洒水养护至7天后，采用电液伺服压力机对其进行3点加载，加载装置如图2所示。为获取试样跨中区破坏的延展裂缝，采用位移控制加载进度，速度为0.05 mm/min。当裂缝出现首条延展宽度为0.2 mm时，停止加载。

2 实验结果及其分析

2.1 试件表观变化

再生混凝土试件在开裂后的芽孢杆菌修复作用下发生了一系列的表观变化。随着时间的整张，有芽孢杆菌的试件出现的愈合现象基本相似，主要体现在: 当裂缝产生初期时，混凝土裂缝处外观无变化，与普通混凝土状态基本相同;当裂缝产生3 d后，RC30、RC50及RC100表面发生了轻微的修复现象，裂缝处颜色逐渐变白; 当裂缝产生7 d时，RC50表面修复程度较大，部分区域产物呈弥合裂缝状态。再生混凝土试件经修复作用至弥合裂缝后，裂缝处整体性保持完好，未出现裸露裂口和孔洞等现象。试件在经历修复作用后的表观形态如图3所示。

图2 加载装置Fig 2 Loading device

2.2 试件加载现象

制备后再生混凝土试件的加载破坏形态与普通混凝土试件的相似，主要出现了试样跨中受拉区的开裂现象。(1)在加载过程中，随着荷载的增加，混凝土受拉区表面裂缝出现，裂缝沿着试样向上延展，延展裂缝内采用150倍裂缝观测仪观察可见再生骨料，裂缝与试件轴线呈约±15°角。试件再生骨料取代率越高，其承受的开裂最大荷载越小，受拉区开裂出现的时间越早。(2)试样开裂后，裂缝呈现延展现象，延展的位置各有不同。随着试件再生骨料取代率的升高，其延展裂缝出现与轴线偏离现象越高。当取代率为100%时，试件的开裂裂缝形态与裂缝内侧再生骨料形状吻合，为沿着再生骨料旧砂浆界面延展。

图3 修复后裂缝表面状态Fig 3 Surface state of crack after repair

2.3 裂缝修复现象

采用面积修复率来反映开裂后试件芽孢杆菌修复的程度，其表达式为:

Wr=l0·Wt/l0·W0

(1)

式中:Wr为面积修复率，%;l0为开裂后试件的裂缝长度，mm;Wt为开裂后裂缝的修复宽度，mm,W0为开裂后裂缝的初始宽度，mm。

为更深入对比分析试样裂缝的修复率受芽孢杆菌浓度和再生骨料取代率的影响程度，对这两类因素试件，分别取同一芽孢杆菌浓度下不同取代率的所有试件修复率的平均值及不同芽孢杆菌浓度各组同取代率试件修复速率经对比图4发现如下结果：在修复时间增长是有载体都显现出较对照组更明显的快速修复现象；而芽孢杆菌浓度在30%使各组试件有着最好的修复裂缝的峰值，45%芽孢杆菌浓度由于15%芽孢杆菌浓度修复总量，30%芽孢杆菌浓度修复总量约为45%芽孢杆菌浓度的147.4%和15%芽孢杆菌浓度的417.6%，这表明较低或过高的芽孢杆菌浓度对裂缝的修复会起到削弱的作用；伴随着再生骨料载体取代率的提高，RC100试样有着最快的芽孢杆菌修复现象并且沿修复时间的增长呈现明显的加速，RC10试样直到裂缝开裂后第6天出现修复现象且修复总量较少，这表明再生骨料取代率的增加能明显提升裂缝处的修补效率。此外，过高的取代率也会造成裂缝出现的几率增加。

图4 不同芽孢杆菌浓度试样裂缝修复宽度Fig 4 Crack repair width of samples under different bacterial concentrations

同理，对于芽孢杆菌浓度和载体取代率两个因素，分别取同一芽孢杆菌浓度下不同取代率的所有试件裂缝修复率的平均值，并以取代率r=0%对照试件为基准进行分析。随着取代率的提高试件的修复性能基本呈线性增长，且增幅不大; 当取代率为50%时，裂缝的修复率明显增大，而试件取代率为100%时，芽孢杆菌浓度为45%的修复率略有下降。相比同等取代率的试件，过高的芽孢杆菌浓度会降低裂缝处的修复效果。

3 开裂修复对比分析

实际上在耐久性方面，再生骨料也表现出与天然骨料不同且复杂的性能形式。许多学者研究表明在混凝土中使用再生粗骨料会使混凝土耐久性变差。在高取代率混凝土中加入粉煤灰会使试件干燥收缩率减少，并削弱混凝土的徐变。但是，混凝土对氯离子的渗透抵抗力也会下降，并且随取代率的增加，碳化深度相应增加。特别是大毛细管直径越大、空隙率越高的再生骨料，加入这类再生骨料的试件耐久性降低越明显。并且得出了高孔隙率是导致再生混凝土耐久性变差的原因。对于相同的水灰比，添加20%再生粗骨料的试件密度值比对照组试件密度值低约5%。再生骨料固有孔隙率越高，试件耐久性受其影响而更差。再生混凝土抗碳化和氯化物渗透性均随着再生骨料取代率的增加而降低。再生混凝土的干燥收缩率随着再生骨料取代率和水灰比的增加而增加。并且随着龄期的服役时间增长，高取代率再生混凝土的碳化深度增加在不改性再生骨料本身的前提下，再生混凝土耐久性性能的提升都伴随着其他一项或多项性能的损失。因而开裂修复是否有效提升耐久度是有效解决这一问题的关键。

3.1 表观修复

以再生骨料为载体的芽孢杆菌修复效果产生外部修复的原因，经过分析是由于再生骨料在拌和水泥基料形成构件的过程中，附着砂浆空隙中存在的空气与添加的水、巴氏芽孢杆菌已经开始进行钙矿化反应，在试件内部开始CaCO3的生成；在养护完成并压制裂缝时，外部空气及水分的进入使外缘向内部开始钙矿化作用，大大减少了CaCO3晶体生成至弥合裂缝的速度。没有芽孢杆菌的试件中水化作用不够充分并在裂缝开裂后进一步与空气中水分接触得以持续水化，这导致裂缝产生时，没有芽孢杆菌的试样也出现了极少量的裂缝缩小的现象，见于图5；同时，取代率相对小的试样其载体分布较均匀的密度分布使CaCO3的生成形态呈现平铺式的层式堆叠，其裂缝面的愈合效率大大降低，产生修复最大裂缝宽度小于高取代率再生骨料载体试样。裂缝观测仪下观察可以发现：高取代率再生骨料载体形成的CaCO3呈现不规则堆叠状晶体块，这种点式聚集速度以及晶体粒径均大于平铺层式堆叠，这对裂缝产生后响应修复速率起到很好的推动作用。

图5 再生骨料载体对裂缝修复作用Fig 5 Effect of recycled aggregate carrier on crack repair

3.2 内部修复

随着自我愈合的时间延长，有载体的试样裂缝长度变小。当修复时间达到28天，RC100的横面裂缝完全修复。通过SEM电镜观察，混凝土裂缝横面修复后纵向断面会继续缓慢修复，并随时间的延长，修复速率逐渐降低直至停止。在横面方向生成的碳酸钙最初聚集于各个点，而后不同修复点逐渐连接，最终整个裂缝横面被完全填满。这个流程整个裂缝完全填满后，巴氏芽孢杆菌钙矿化并未结束。随着碳酸钙的密度增加，裂缝的表面及裂缝的外缘被碳酸钙覆盖。纵向断面生成的碳酸钙在再生骨料周围形成小型的不规则晶体团；如图6所示，断面深处局部生成的碳酸钙晶体与水化产物粘结在一起呈现较均匀分布；在靠近裂缝外缘处，碳酸钙晶体多呈现梯状堆叠状态，且晶体粒径普遍大于远离裂缝外缘处，同时在裂缝部分区域可见修复生成的CaCO3与针状的水化产物交织在一起。

3.3 抗离子侵蚀

设置图7中装置对试样进行浓度为3.5%的氯化钠溶液循环侵蚀进行观察，裂缝已完全修复试样修复区域仅有少量氯化钠沉积，而未完全修复试样裂缝周围有较多氯化钠沉积，这种现象是由于修复产物不溶水的特性较好的阻隔水分及氯盐在裂缝处的流入。通过对不同组试样氯离子侵蚀试验经电镜扫描后如图8所示，结果发现裂缝内未完全修复再生骨料载体修复产物有着明显的氯盐侵蚀痕迹，说明其生成CaCO3有效的抵抗了有害离子对内部孔隙的侵蚀，阻止了离子向结构内部的进一步侵蚀。

图6 电镜观察下的修复物质Fig 6 Repair material under SEM

图7 离子单向裂缝侵蚀装置Fig 7 Ion unidirectional crack erosion device

图8 裂缝内离子侵蚀Fig 8 Ion erosion in cracks

4 结 论

(1)再生骨料附着砂浆多孔疏松的性质有利于巴氏芽孢杆菌的附着。相较于普通试件裂缝，以再生骨料为载体的试件表现出修复速度快、钙矿化产物量高、碳酸钙晶体粒径大且结构紧密等优点。这是由于再生骨料使菌密度大大提高的同时，附着砂浆内的空气和水能够在裂缝产生第一时间就进行矿化反应；而普通混凝土试件内仅靠进一步水化作用实现裂缝极小的修复过程，导致修复速度及修复效果不佳。

(2)两组试件通过芽孢杆菌浓度和再生骨料取代率两个因素影响混凝土的修复效果，修复效果会随取代率的提高不断的提升，但芽孢杆菌浓度在30%使修复效果最好；过高的芽孢杆菌浓度会抑制芽孢杆菌增值和钙矿化产生修复物质的进程中，由于再生骨料附着砂浆与水泥砂浆粘结性相对较差，但使较多聚集的芽孢杆菌处于裂缝处进行修复工作，这导致高取代率的试样更易开裂同时修复效果也更为明显。

(3)再生骨料作为修复载体在混凝土中有着较好的应用潜力。可以推断，利用再生骨料作为修复载体可行因素是由于其附着砂浆的多孔性和弱碱性。只要再生骨料有着适当的粒径尺寸和孔隙率，就可以提高混凝土裂缝修复性能。最近研究中，使用再生骨料作为芽孢杆菌载体显示出的潜在迹象，考虑到有限的信息，这值得进一步深入研究。另一方面，由于再生骨料界面过渡区的复杂性，使用它作为修复载体替代品应限于低置换水平。从而在自修复混凝土对环境起到有益作用的同时，给与其修复后强度和耐久性性能提升方面更多的关注。