微生物沉積碳酸鈣封堵混凝土裂縫的試驗(yàn)研究

賈 強(qiáng)， 姜 歡， 張 鑫

(1.山東建筑大學(xué) 土木工程學(xué)院， 山東 濟(jì)南 250100； 2.華潤(rùn)置地(山東)發(fā)展有限公司， 山東 濟(jì)南 250100)

混凝土結(jié)構(gòu)的滲漏問題在土木和水利工程中無法避免且處理困難.傳統(tǒng)的有機(jī)堵漏材料，如環(huán)氧類樹脂、聚合物砂漿和高分子灌漿材料等黏性較高，在裂縫中的滲透深度有限，只能封堵較寬、深度不大的裂縫，且其抗老化性能以及與水泥基材料的相容性差.微生物封堵技術(shù)在此情況下應(yīng)運(yùn)而生.該新型材料固化前黏性很低，可借助負(fù)壓滲透到裂縫深處.微生物封堵技術(shù)不僅可利用微生物沉積礦物質(zhì)達(dá)到封堵的效果，而且能夠自動(dòng)找到滲漏處位置進(jìn)行有效防滲，可起到探查和封堵二合一的作用.另外，利用微生物誘導(dǎo)沉積生成的方解石性質(zhì)穩(wěn)定，與混凝土材料的結(jié)合性好[1].

1973年，Boquet等[3]發(fā)現(xiàn)自然界中有些微生物能夠利用自身的生命活動(dòng)誘導(dǎo)CaCO3沉積.此后該技術(shù)不僅用于修復(fù)水泥基表面缺陷，還用于固砂和加固地基等.Maaike等[4]向裝滿砂的PVC管中灌注營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，使管中央隔板上的小孔得到封堵.王劍云等[5-6]以瓊脂為載體，將菌株、營(yíng)養(yǎng)鹽和鈣源涂刷在有缺陷的水泥石表面，形成了1層致密的不透水層，使水泥石吸水率降低到試驗(yàn)前的15%以下.彭裕生等[7]利用巴斯德芽孢桿菌、尿素和CaCl2溶液封堵人造巖芯裂縫，試驗(yàn)表明在較寬裂縫內(nèi)先填注砂或石英粉，再用細(xì)菌堵塞裂縫的措施非常有效.Zhang等[8]針對(duì)有滲漏孔的砂柱分別灌入普通馬鈴薯液和含硫酸亞鐵的馬鈴薯液，進(jìn)行封堵對(duì)比試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)上述2種方式均出現(xiàn)較明顯的封堵現(xiàn)象，單位時(shí)間內(nèi)的滲漏流量顯著降低.賈強(qiáng)等[9-10]利用巴氏芽孢桿菌產(chǎn)生的CaCO3沉積對(duì)混凝土豎向裂縫進(jìn)行封堵.總體而言，以上研究并未針對(duì)裂縫的寬度、深度等影響封堵效果的主要因素開展系統(tǒng)性研究，封堵機(jī)理尚不明確.本文針對(duì)微生物沉積CaCO3封堵混凝土水平裂縫進(jìn)行了試驗(yàn)研究，以期為該技術(shù)的推廣和應(yīng)用提供理論支持.

1 菌種培養(yǎng)

試驗(yàn)選用巴氏芽孢桿菌(Bacillus pasteurii).其培養(yǎng)基為20g/L酵母提取物、10g/L硫酸銨、2g/L氫氧化鈉(pH=9)和10μmol/L氯化鎳；培養(yǎng)過程包括高溫滅菌、接種，恒溫振蕩培養(yǎng)箱內(nèi)培養(yǎng)，檢驗(yàn)菌液所含酶的活性以及取出菌液4個(gè)步驟；菌液培養(yǎng)時(shí)間設(shè)定為20h，溫度設(shè)定為30℃.為保證供給細(xì)菌充足的氧氣，振蕩床轉(zhuǎn)速為210r/min.每次可培養(yǎng)1.6L菌液供試驗(yàn)用.

利用電導(dǎo)率儀檢測(cè)菌液的酶活性，其基本原理是：巴氏芽孢桿菌產(chǎn)生的尿素酶可將尿素分解為NH3和CO2，若細(xì)菌產(chǎn)生的尿素酶越多，則單位時(shí)間內(nèi)分解出的NH3和CO2越多，溶液的導(dǎo)電能力就越大.用移液槍吸取5mL培養(yǎng)好的菌液加入到1.1mol/L的45mL尿素溶液中，測(cè)得其5min電導(dǎo)率值為0.469S/m.

營(yíng)養(yǎng)鹽采用尿素溶液，鈣源采用硝酸鈣(Ca(NO3)2·4H2O) 溶液.兩者體積比為1∶1，濃度均為1.1mol/L(營(yíng)養(yǎng)鹽和鈣源溶液濃度是在優(yōu)化試驗(yàn)的基礎(chǔ)[11]上選定的，這里不再贅述).

2 混凝土試件裂縫的制作

為保證在混凝土裂縫中順利灌入菌液、營(yíng)養(yǎng)鹽和鈣源溶液，混凝土試件設(shè)計(jì)了灌漿槽.具有一定長(zhǎng)度、寬度和深度的水平裂縫設(shè)置在灌漿槽底部.試件的剖面圖見圖1.試驗(yàn)采用預(yù)埋鋼板(鋼板厚度選為0.3，0.5，1.0，1.5mm)的方法制作裂縫，鋼板厚度即為裂縫寬度，裂縫深度均為180mm,裂縫長(zhǎng)度均為100mm.鋼板埋入混凝土前，在其表面涂刷薄薄的1層潤(rùn)滑油，以確保鋼板能夠順利拔出.另外混凝土試件澆筑初凝之后到終凝之前每隔0.5h抽動(dòng)鋼板一次，以防止鋼板與混凝土粘連.

圖1 試件剖面圖Fig.1 Profile of specimen(size:mm)

3 試驗(yàn)過程

混凝土裂縫的封堵試驗(yàn)采用向較窄裂縫內(nèi)部直接灌漿(灌注菌液、營(yíng)養(yǎng)鹽溶液和鈣源溶液)和向較寬裂縫內(nèi)預(yù)填細(xì)砂等介質(zhì)再灌漿這2種處理方式.當(dāng)采用縫內(nèi)直接灌漿處理方式時(shí)，在裂縫外側(cè)漿液流出口處用紗布封閉，以保證水從紗布滲出而菌種等被保留在裂縫內(nèi).

縫內(nèi)直接灌漿流程每3d進(jìn)行1次，每次灌入200mL菌液和300mL(營(yíng)養(yǎng)鹽+鈣源)的混合溶液.以上灌漿過程重復(fù)7次，每次灌漿時(shí)均記錄細(xì)菌酶活性、試驗(yàn)室溫度、反應(yīng)現(xiàn)象及滲水試驗(yàn)結(jié)果.

將細(xì)砂篩分得到的粒徑小于0.8mm的砂粒填入較寬裂縫中，然后按照前述縫內(nèi)直接灌漿流程灌入200mL菌液和300mL(營(yíng)養(yǎng)鹽+鈣源)的混合溶液.

以上2種灌漿方式，每次灌漿完成的2d后進(jìn)行滲水試驗(yàn).滲水試驗(yàn)前先將紗布和棉花清除，避免干擾滲水結(jié)果.滲水試驗(yàn)時(shí)，向灌漿槽內(nèi)灌入2L水，用容器在裂縫外側(cè)漿液流出口收集裂縫內(nèi)流出的水，記錄5min內(nèi)流出水的體積，用每min流出水的平均流量表示滲水速度，滲水速度越小說明裂縫的封堵效果越好.

4 試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

向灌漿槽內(nèi)注入菌液、營(yíng)養(yǎng)鹽和鈣源的混合溶液，10min后槽內(nèi)有大量白色絮狀物生成，而裂縫外側(cè)封閉的紗布中只有少量水流出；隨著灌漿次數(shù)的增多，流出的水量逐漸減少甚至消失；待灌漿槽內(nèi)干燥后，發(fā)現(xiàn)槽底有大量白色沉積物.

4.2 裂縫內(nèi)直接灌漿處理方式

7次縫內(nèi)灌漿處理后，不同寬度(0.3,0.5,1.0,1.5mm)裂縫灌漿后的滲水速度與灌漿次數(shù)關(guān)系曲線如圖2所示.

圖2 不同寬度裂縫灌漿后滲水速度與灌漿次數(shù)關(guān)系曲線Fig.2 Relationship between outflow velocity and groutingtimes with different crack widths

由圖2可知，寬度為0.3，0.5mm的裂縫經(jīng)過3次和4次灌漿處理后成功封堵了裂縫，而寬度為1.0，1.5mm的裂縫雖經(jīng)7次灌漿處理，仍未能成功封堵裂縫，但滲水速度均有大幅度降低，降幅分別為63%和47%.由此看出：縫內(nèi)直接灌漿的處理方式適合于細(xì)小裂縫，裂縫越小封堵效果越明顯；而較大裂縫進(jìn)行縫內(nèi)直接灌漿處理時(shí)，短期內(nèi)并不能完全封堵裂縫，原因在于沉積的CaCO3在較寬裂縫內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)“架橋作用”，在滲水試驗(yàn)中容易被沖出，隨著灌漿次數(shù)的增多，縫內(nèi)沉積的CaCO3厚度增加，裂縫變窄，滲水速度才有所降低.

4.3 裂縫內(nèi)預(yù)填介質(zhì)再灌漿處理方式

裂縫內(nèi)預(yù)填細(xì)砂再完成7次灌漿處理后，不同寬度(1.0,1.5mm)裂縫灌漿后的滲水速度與灌漿次數(shù)關(guān)系曲線如圖3所示.

圖3 不同寬度裂縫預(yù)填介質(zhì)灌漿后滲水速度與灌漿次數(shù)關(guān)系曲線Fig.3 Relationship between outflow velocity and grouting times with different crack widths after pre-filled treatment

由圖3可見，2條曲線均呈下凹形，表明在初期灌漿處理時(shí)，滲水速度降低顯著，而后期滲水速度降低放緩.與圖2中裂縫寬度1.0，1.5mm的曲線相比可知，裂縫內(nèi)填入介質(zhì)后經(jīng)過4～5次灌漿處理即可實(shí)現(xiàn)完全封堵，封堵效果顯著提高.

裂縫內(nèi)預(yù)填介質(zhì)再灌漿的方式對(duì)較寬裂縫很適用.這是因?yàn)椋阂环矫?，在裂縫內(nèi)預(yù)填介質(zhì)間接減小了裂縫寬度，增大了裂縫內(nèi)壁的摩擦度，增加了固相CaCO3被捕獲的概率，使架橋封堵順利進(jìn)行；另一方面，在裂縫內(nèi)預(yù)填的介質(zhì)組成了多孔結(jié)構(gòu)，為CaCO3沉積提供了大量場(chǎng)所.

4.4 超聲波檢測(cè)結(jié)果

針對(duì)縫內(nèi)直接灌漿處理方式下寬度為0.3mm的裂縫，采用超聲波對(duì)封堵前后裂縫中的CaCO3密實(shí)度變化情況進(jìn)行檢測(cè).超聲波檢測(cè)采取平測(cè)方式，在裂縫上下各布置5個(gè)測(cè)點(diǎn)，上下測(cè)點(diǎn)間距為50mm，測(cè)點(diǎn)平面布置圖見圖4.裂縫封堵前后超聲波檢測(cè)結(jié)果見表1，2.由表1，2可以看出：在裂縫封堵前，3#測(cè)點(diǎn)處的聲時(shí)最長(zhǎng)(57.9μs)，這是由于該測(cè)點(diǎn)位于跨越裂縫的上、下兩端，裂縫隔斷了聲波直線傳遞路徑，因此需要更長(zhǎng)的傳遞時(shí)間；裂縫封堵后，3#測(cè)點(diǎn)處聲時(shí)在5組測(cè)點(diǎn)中雖然還是最大，但與其他4組已很接近，說明裂縫封堵后CaCO3密實(shí)度已接近混凝土試件.

圖4 超聲波檢測(cè)裂縫測(cè)點(diǎn)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 裂縫封堵后超聲波檢測(cè)結(jié)果

5 結(jié)論

(1)裂縫內(nèi)直接灌注菌液、營(yíng)養(yǎng)鹽和鈣源溶液的封堵方式較適合于細(xì)小裂縫(寬度0.5mm以下)，裂縫越小封堵效果越顯著，經(jīng)過幾次灌漿即可實(shí)現(xiàn)完全封堵；但縫內(nèi)直接灌漿方式對(duì)較寬裂縫的封堵效果較差，原因在于沉積的CaCO3在較寬裂縫內(nèi)不易實(shí)現(xiàn)“架橋作用”.

(2)對(duì)較寬裂縫來說，縫內(nèi)預(yù)填細(xì)砂等介質(zhì)再灌漿方式可有效提高裂縫的封堵效果.這是因?yàn)榱芽p內(nèi)預(yù)填介質(zhì)間接減小了裂縫寬度，增大了裂縫內(nèi)壁的摩擦度，增加了固相CaCO3顆粒被捕獲的概率，使“架橋作用”順利進(jìn)行.

(3)經(jīng)超聲波檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，CaCO3沉積封堵后的裂縫材料密實(shí)度接近混凝土試件.

本文用預(yù)埋鋼板的方法制作裂縫，裂縫內(nèi)表面粗糙度與自然狀態(tài)開裂的裂縫存在差別，因此應(yīng)用于工程時(shí)尚需做更多的現(xiàn)場(chǎng)模擬試驗(yàn).