微生物修复混凝土裂缝的渗透试验研究

王保生，周耀，王若琪，刘斌，李晓敏

（1.山西交通控股集团有限公司 大同南高速公路分公司，山西 大同 037400；2.北京航空航天大学 交通科学与工程学院，北京 102206；3.北京航空航天大学 空间与环境学院，北京 102206）

混凝土广泛应用于建筑、桥梁、隧道等领域，其裂缝是混凝土结构最普遍、最常见的病害之一，并伴随有钢筋锈蚀、混凝土碳化、渗漏溶蚀和冻融破坏等病害，严重影响混凝土结构的工作性能和耐久性能。传统的混凝土裂缝处理方法主要有表面封闭法[1]、堵漏法[2-3]（灌注水泥浆或环氧树脂）和结构补强加固法[4-5]（FRP或粘贴钢板加固）等方法，但各自都存在一定的局限性。代尔夫特理工大学微生物教授汉克·约克斯发明了利用微生物自动愈合混凝土的方法[6]。这种新型的混凝土裂缝微生物诱导沉积碳酸钙（Microbial Induced Carbonate Precipitation，MICP）技术，其沉积材料为碳酸钙，具有生态友好、与混凝土材料兼容性好、碳酸钙本身不易降解、耐久性高等特点，具备能耗低、绿色环保、施工简便的特点，得到广泛关注。

混凝土裂缝的渗透性是能直观表征修复效果的一个指标。练继建等[7]通过试验研究了环境碱度对细菌生长和微生物矿化的影响，并使用注射和漫灌胶结液的方式修复具有不同表观形状裂缝的混凝土，修复后混凝土的渗透性大大降低。王文花等[8]采用膨胀珍珠岩固载自修复剂好氧嗜碱微生物，研制了一种新型裂缝自修复混凝土，膨胀珍珠岩固载微生物可以有效提高混凝土的裂缝自修复能力，在修复养护28 d后，其裂缝最大修复宽度达0.72 mm。微生物矿化能够显著提高混凝土抗渗水能力，经修复养护14 d后，渗水系数降低幅度达97.8%。贾强等[9]研究了不同裂缝宽度、深度、缝内是否填充介质和不同钙源溶液等参数对修复后裂缝的抗渗承压能力的影响。结果表明，在不同缝宽条件下，裂缝宽度越小，越有利于裂缝内壁对碳酸钙晶体的“捕捉”，修复混凝土裂缝的灌浆次数越少；在不同缝深条件下，碳酸钙晶体流经裂缝的距离和时间越长，增加了其在混凝土裂缝内架桥和沉积的几率，因此裂缝深度越大，封堵速度越快。

目前关于微生物裂缝修复主要集中于自修复混凝土的研究，而对细小裂缝的修复研究较少。但细小裂缝往往会造成渗水现象，这在工程应用中不可忽视。因此，对细小裂缝的修复及修复后效果评价的研究具有较大的意义。本文用不锈钢插片和试验机压裂试件制作裂缝，采用吊针滴加法修复裂缝，通过渗透性指标评价修复后的效果。

1 微生物修复混凝土裂缝原理

MICP技术是一种新型修复技术，其利用一类能够产生脲酶的细菌在生长过程中产生的脲酶，将添加的尿素水解为CO32-和NH4+，然后CO32-与周围溶液中的Ca2+反应生成碳酸钙沉淀，以填补混凝土裂缝，从而达到修复的目的。微生物在有利的条件下，可以在混凝土表层不断生成新的高不透水性方解石层。除了能够不断地自己生长外，在水中也很难溶解，能抵御有害物质的渗透，从而降低对混凝土结构的不利影响。

微生物产生的碳酸钙沉积中发生的复杂化学反应[10]可以简化为：

2 菌种选择

通过文献调研及预试验，选择巴氏芽孢杆菌与科氏芽孢杆菌2种菌种。菌种经固体培养基活化、液体培养基活化及扩大培养。2种菌种培养基不同，生长状况也有较大区别。可以发现，巴氏芽孢杆菌的培养液很快变浑浊，即微生物生长增殖明显，而科氏芽孢杆菌的培养液在数日后依然澄清。因此，巴氏芽孢杆菌生长更迅速，可在24 h后到达生长平台期，转接培养较为容易，对操作熟练程度要求较低。科氏芽孢杆菌生长周期为数十天，生长缓慢。

3 矿化沉积试验

比较硝酸钙溶液及等量硝酸钙固体为钙源的沉积过程。首先配制0.5 mol/L硝酸钙溶液，取100 mL硝酸钙溶液和100 mL菌液至锥形瓶中，调节pH值至9.5；对比试验为200 mL菌液与11.8075 g硝酸钙固体加入锥形瓶中，调节pH值至9.5。在恒温条件下进行矿化试验，在0、6、18、24 h时取锥形瓶中上层清液，离心，用稀硝酸稀释至5～10倍，用原子吸收光谱仪测试上层清液中的Ca2+浓度。当上层清液中Ca2+浓度降至检测限时，称量离心管质量，把锥形瓶中的溶液和沉淀全部转移至离心管中，离心、沉淀，放入60℃烘箱中烘干24 h，称量沉淀质量（均在5 g左右，Ca2+全部沉淀）。杯壁中的沉淀用过量盐酸冲洗，NaOH溶液回滴过量的HCl溶液，得出杯壁碳酸钙的质量。通过Ca2+浓度变化确定碳酸钙沉积所需时间。并通过XRD及SEM确定沉淀晶型及形貌，考察以固体或溶液作为钙源时的矿化过程。

试验中发现，溶液中可以很快形成沉淀，迅速变浑浊，肉眼可以观察到沉淀的生成。结果表明，溶液中的Ca2+几乎100%转化为沉淀，沉淀24 h时可进行80%，48 h时即可接近100%。其它条件，如Ca2+浓度、固体钙源、液体钙源对沉淀过程不产生显著影响。对沉淀物进行SEM和XRD分析，结果见图1～图3。图3中固1、固2以固体硝酸钙为钙源，沉1、沉2以硝酸钙溶液为钙源。

由图1～图3可见，球形球霰石和方形方解石晶体均有生成。在晶体表面可观察到明显的菌体附着，证实了生物矿化作用的存在。从沉淀形貌来看，固体硝酸钙或硝酸钙溶液为钙源均能生成方解石及球霰石晶型。

图1 利用巴氏芽孢杆菌沉积得到的碳酸钙的SEM照片

图3 利用巴氏芽孢杆菌沉积得到的碳酸钙的XRD图谱

图2 碳酸钙表面菌体附着的SEM照片

4 渗透试验装置设计

渗水试验是为了测试经修复养护后的试块裂缝处的抗渗水性能，而非试块整体的抗渗性能，因此，结合试验设计的试块尺寸，自行设计了易于操作的混凝土裂缝抗渗性测试装置，装置设计示意如图4所示。装置由有机玻璃制作而成，主要由蓄水室、试件安装室以及集水装置3部分组成。试件安装室上部开口尺寸为102 mm×102 mm，方便放置待修复的混凝土试件；试件安装室下部开口尺寸为60 mm×60 mm，方便水流渗出。四角由4根有机玻璃支座支撑整个装置。装置底部放置漏斗和集水杯用于收取流出液，顶部为敞开处理，便于在试验中加入菌液及胶结液，为防止所加试剂从混凝土的侧壁流出，将混凝土与容器之间的缝隙用玻璃胶密封。

图4 渗透试验装置示意

5 裂缝修复渗透试验

为了评估混凝土裂缝修复后的渗透性能，按式（4）计算渗透系数k：

式中：V——试验用水量，mL；

l——试件裂缝长度，cm；

w——试件裂缝宽度，cm；

t——试验用水流完所需时间，s。

试验采用C30混凝土，其材料配合比为：m（水泥）∶m（砂）∶m（碎石）∶m（水）＝1.00∶1.25∶2.91∶0.43。渗透试验浇筑100 mm×100 mm×40 mm混凝土试件12个，其中6个混凝土块裂缝采用0.38 mm厚钢板插拔法制作，裂缝长50 mm，沿混凝土块厚度方向贯通（见图5）。另外6个混凝土块裂缝即在压力试验机上从试件中部劈裂试件，然后用胶布固定试件，将试件放置于渗透试验装置内，然后用玻璃胶密封混凝土与渗透试验装置上部四周（见图6）。安装完毕后的渗透试验装置如图7所示。

图5 人工插片制作裂缝渗透试验试件

图6 试验机制作裂缝渗透试验试件

图7 渗透试验装置

人工插片制作裂缝渗透试件沿裂缝长度方向用玻璃胶进行密封，以防止试验初期菌液以及矿化形成的碳酸钙流失。试验水柱高100 mm，先测试试件裂缝未修复前水柱流完所需时间。然后对裂缝进行修复，修复方法采用吊针滴加菌液和硝酸钙溶液，如图8所示。试件p1-1、p1-2、p1-3和试验机制作裂缝试件每次菌液和硝酸钙各滴加30 mL，上午和下午各修复1次，每次约1 h完成，修复2 d。p1-4、p1-5、p1-6每次菌液和硝酸钙各滴加30 mL，上午和下午各修复1次，每次约0.5 h完成，修复2 d。修复前后对比如图9、图10所示。从外观看，裂缝均能被沉淀物碳酸钙填满。

图8 吊针滴加法修复混凝土裂缝

图9 人工插片制作裂缝修复

图10 试验机制作裂缝修复

人工插片及试验机制作裂缝试件修复前后水柱流完所需时间分别如表1、表2所示。

表1 人工插片制作裂缝试件修复前后水柱流完所需时间

表2 试验机制作试件修复前后水柱流完所需时间

由表1可见，试件渗透系数提高34.3～249.8倍，修复后混凝土的抗渗性能明显提高。试件p1-1、p1-2、p1-3相比于试件p1-4、p1-5、p1-6修复速度慢，渗透系数提高倍数高。

由表2可见，试件A的渗透系数提高了22.5倍，其余试件渗透系数提高均在100倍以上。修复后混凝土的抗渗性能显著提高。

6 结论

（1）巴氏芽孢杆菌生长迅速，转接培养较为容易，对操作熟练程度要求较低。因此巴氏芽孢杆菌比科氏芽孢杆菌更适合作为修复混凝土裂缝试验菌种。

（2）固体钙源、液体钙源对沉淀过程不产生显著影响。从沉淀形貌来看，固体硝酸钙或硝酸钙溶液为钙源均能生成方解石及球霰石晶型。

（3）混凝土裂缝修复后，试件渗透系数离散性较大，但是渗透系数均有较大提高。表明生物修复混凝土裂缝后的抗渗性能明显提高，但与完好的混凝土差距较大。裂缝修复速度降低，有利于裂缝填充物密实度提高，最终提高结构的抗渗性能。