1、2023，Vol.37，No.13wwwmater-repcom21070218-1基金项目:国家自然科学基金(51878319)This work was financially supported by the National Natural Science Foundation of China(51878319)lch79mailujseducnDOI:10.11896/cldb.21070218扩散法用于微生物矿化修复混凝土竖向裂缝的试验研究李锺奥1，陆春华1，成亮2，Emmanuel11江苏大学土木工程与力学学院，江苏 镇江 2120132江苏大学环境与安全工程学院，江苏 镇江
2、212013为了研究微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially induced carbonate precipitation，MICP)技术对混凝土裂缝的修复效果，分别采用扩散法、注射法对竖向裂缝宽度为 01 mm、02 mm 和 04 mm 的混凝土试件进行了 MICP 修复，并从微观(生成物成分及形貌)和宏观(耐久性能和力学性能)两个角度对裂缝修复效果进行了评价和对比分析。试验结果表明:与注射法相比，扩散法中的海绵条不仅可以存储胶凝溶液，还能为碳酸钙沉积提供附着点，这使得经扩散法修复后的三种裂缝宽度的混凝土试件的防水性能和抗氯盐侵蚀性能更好，这两种性能的平均提升系数分别达到了 797%
3、、609%，但劈裂抗拉强度的提升不明显。上述研究结果表明，采用扩散法修复混凝土构件中非受力状态下的竖向裂缝是有效的，可供实际工程应用参考。关键词混凝土裂缝修复微生物扩散法中图分类号:TU375文献标识码:AExperimental Study on epairing Vertical Cracks of Concrete by MicrobialMineralization with Diffusion MethodLI Zhongao1，LU Chunhua1，CHENG Liang2，Emmanuel11Faculty of Civil Engineering and Mechanics，
4、Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，China2School of Environment and Safety Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang 212013，Jiangsu，ChinaIn order to investigate the effectiveness of microbially induced carbonate precipitation(MICP)in repairing concrete cracks，concrete speci-mens with vertical
5、 crack width of 01 mm，02 mm and 04 mm were repaired by MICP with diffusion method and injection method respective-ly The effectiveness of repairing cracks was evaluated from the microscopic(composition and morphology of products)and macroscopic(dura-bility and mechanical properties)levels The result
6、s show that the sponge strip used in diffusion method not only store cementation solution，butalso provide attachment point for calcium carbonate deposition The waterproof performance and chloride aggressive resistance of concrete speci-mens with three crack widths repaired by diffusion method were b
7、etter than those by injection method，and the average improvement coefficientsof these two properties reach 797%and 609%，respectively However，the increase of splitting tensile strength was not obvious The above re-search results show that the diffusion method was effective to repair the vertical crac
8、ks in the unstressed state of the concrete members，whichcan provide reference for practical engineeringKey wordsconcrete，crack repair，microorganism，diffusion method0引言长期以来，混凝土结构一直是国内外使用最为普遍的结构形式。由于混凝土材料本身的抗拉强度较低，在荷载和其他因素作用下，混凝土结构构件中不可避免地出现一些裂缝。在沿海地区，这些裂缝的存在会加速氯离子等侵蚀介质进入混凝土内部，加快钢筋锈蚀，从而影响结构的安全性和耐久性1-2
9、。因此，有必要对服役混凝土结构的表面裂缝进行快速、有效的修复。传统裂缝修复材料具有易老化、粘度高、污染环境等问题，而微生物矿化修复的生成物与混凝土基材的相容性好，同时具有环境友好等优势3。微生物诱导碳酸钙沉淀(Microbially induced carbonateprecipitation，MICP)主要是利用微生物将尿素分解为 NH3和CO2，随着 NH3生成量的增加，溶液 pH 升高，CO2以 CO32的形式存在;此时若提供 Ca2+，Ca2+和 CO32结合形成 CaCO3沉淀4。MICP 技术在土木工程领域最先被应用于岩土加固、文物保护等方面5-6，之后被用于混凝土裂缝修复方面。C
10、hoi等7 利用浸泡法对宽度为 015164 mm 的砂浆裂缝进行 21个周期的 MICP 修复，试样的渗透系数大约降低了三个数量级。Tittelboom 等8 采用注射和浸泡结合的方法对 01 mm 宽的混凝土裂缝进行了 3 d 的 MICP 修复，超声波和渗透性试验表明其修复效果与环氧树脂相似，并优于水泥砂浆。练继建等9 利用 MICP 技术对不同宽度(03 mm、05 mm、10 mm、15 mm 和 20 mm)的混凝土裂缝进行了 50 次注射和四次漫灌修复，混凝土的渗透系数从 104m/s 降低到108m/s。袁杰等10 利用注射法对宽度为 1 mm 的混凝土裂缝进行 12 次MIC
11、P 修复后，其电通量下降约 25%，同时抗冻性和抗硫酸盐侵蚀性能有所提升。由此可见，利用 MICP 技术修复混凝土裂缝后，混凝土的抗渗、抗冻以及抗氯盐侵蚀能力都有所提升。上述研究均是针对水平面上的裂缝，在重力作用下，修复液可以很容易进入裂缝深处完成修复;而对于竖向裂缝，修复液在裂缝内部不易留存，因此针对此类裂缝修复方法的选择至关重要。王瑞兴等11 利用海藻酸钠固载菌株覆盖在21070218-2试件表面，随后向其中滴加尿素和 Ca(NO3)2混合液;混合液扩散到试件表面，经过细菌的诱导，在水泥石表面形成碳酸钙沉积层以进行表面防护。另外，也有学者将琼脂作为载体固定菌株和营养物，对混凝土进行表面防护
12、和表面裂缝修复12-13。受此方法启发，本工作拟针对混凝土竖向裂缝，提出采用以海绵条为载体的扩散法对宽度为 01 mm、02 mm和 04 mm 的竖向裂缝进行修复，并选取注射法进行对比;与将所有修复液全部注入裂缝中的注射法不同，扩散法将部分修复液暂时储存于海绵载体内，在同样的裂缝宽度下，使用扩散法修复时可以提供更多的修复液，从而更快地完成修复。随后对修复前后试件表面裂缝外观、内部物质成分及微观形貌进行观测，通过测试修复前后试件的防水性能、抗氯盐侵蚀性能和劈裂抗拉强度对扩散法的修复效果进行评价，以验证该方法的可行性。1实验11混凝土试件制作水泥采用 PO425 普通硅酸盐水泥，细集料为细度模数
13、27 的天然河砂，粗集料为粒径 5315 mm 的碎石，搅拌用水为自来水。混凝土设计强度等级为 C30，配合比见表 1。将标准立方体混凝土试件(150 mm150 mm150 mm)标准养护 28 d，测得其抗压强度为 322 MPa。表 1混凝土配合比Table 1Mix ratio of concrete设计强度水kgm3水泥kgm3砂kgm3石子kgm3抗压强度MPaC302204496151 160322微生物矿化修复研究中，采用 100 mm50 mm 的混凝土圆柱体试件，裂缝长度和深度分别为 60 mm 和 50 mm，见图 1a。参照美国规范 ACI 318、英国规范 BS 81
14、10 和中国规范 GB 50010-2010 中关于混凝土构件最大裂缝宽度的相关规定，本工作选取了 01 mm、02 mm 和 04 mm 三种裂缝宽度值。为了得到理想的裂缝参数(长度、深度和宽度)，在制作混凝土圆柱体试块过程中采用钢板插拔法形成相应的预制裂缝。为防止钢片与混凝土粘连，确保钢片可以顺利拔出，浇筑混凝土前在钢片表面刷一层薄薄的润滑油。浇筑混凝土 1618 h 后，将钢片从混凝土中缓慢地拔出，避免钢片拔出时造成裂缝表面破坏。因为钢片拔出是在混凝土终凝之后，所以钢片拔出之后裂缝平直、宽度清晰。最后将带裂缝图 1带预制裂缝的混凝土试样(单位:mm):(a)示意图;(b)实物图Fig1C
15、oncrete specimen with precast crack(unit:mm):(a)schematicdiagram;(b)physical diagram的试件在标准养护箱中养护 28 d 后(见图 1b)，进行下一阶段的裂缝修复试验。12微生物培养及胶凝溶液配制本试验菌种选用巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteuriiDSM 33)，培养基成分为20 g/L 酵母提取物、15 g/L NH4Cl 和01 mmol/L 氯化镍。将培养基 pH 值调至 9293 后，采用高压蒸汽灭菌 3 h;随后接种细菌并恒温振荡(28、180 r/min)48 h 完成培养。培养完
16、成后采用电导率法测得脲酶活性为 2028 U/mL。常用于微生物诱导碳酸钙技术研究领域的钙源多为氯化钙，考虑到氯离子会加快混凝土内钢筋锈蚀，对结构耐久性不利，故本试验选用乙酸钙代替氯化钙作为钙源。分别配制 1 mol/L 的尿素和 1 mol/L 的乙酸钙溶液后，混合得到胶凝溶液。同时，为消除培养基中氯离子对试验结果的影响，在菌液使用前，通过离心去除上清液，最后加入乙酸钠溶液(10 g/L)配制成菌液。13裂缝修复方法用泡棉胶带将圆柱体试件一侧裂缝封堵起来，防止修复液从该侧流失，另一侧的裂缝进行修复试验。针对构件表面的竖向裂缝，本工作提出采用扩散法进行裂缝修复;同时采用传统的注射法进行裂缝修复，便于两者对比。全部试件清单见表 2。表 2试件清单Table 2Total samples组别试件编号裂缝宽度/mm试件个数完好试件WH3开裂试件，未修复KL-01013KL-02023KL-04043开裂试件，扩散法修复KS-01013KS-02023KS-04043开裂试件，注射法修复ZS-01013ZS-02023ZS-04043注:相同编号试件每组有三个，测试结果均取平均值进行分析(1)
