基于MICP的珊瑚砂砂漿裂縫自修復新型細菌載體

劉士雨, 俞 縉, 劉文強, 蔡燕燕, 涂兵雄

(1.華僑大學 福建省隧道與城市地下空間工程技術(shù)研究中心, 福建 廈門 361021; 2.華僑大學 福建省智慧基礎(chǔ)設(shè)施與監(jiān)測重點實驗室, 福建 廈門 361021)

南海島礁珊瑚砂資源豐富,用珊瑚砂作為混凝土集料可以有效緩解長途運輸問題,從而降低工程成本,保證工期[1].珊瑚砂又稱鈣質(zhì)砂,沉積過程大多未經(jīng)搬運作用,保留了原生生物骨架中的細小孔隙[2],形狀不規(guī)則且容易碎裂[3].珊瑚砂制成的混凝土容易開裂,會引起海水滲透和鋼筋腐蝕[4].因此,珊瑚砂混凝土結(jié)構(gòu)裂縫的修復是亟待解決的問題.自修復是一種提供高質(zhì)量材料并具有自我修復損傷能力的新興概念,該技術(shù)在建筑結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用受到了極大的關(guān)注[5].

近年來,利用微生物誘導碳酸鈣沉淀(MICP)技術(shù)來封閉和修復裂紋的可持續(xù)自愈機制已被廣泛研究[6].然而,當生物制劑被直接添加到混凝土中時,細菌的生存可能會遇到障礙.Jonkers[7]研究表明,未受保護的細菌孢子壽命僅為2個月.目前采取的有效方法是用細菌載體去保護它們,已使用的細菌載體包括膨脹黏土[8]、硅藻土[9]、硅膠和聚氨酯[10]、水凝膠[11]和纖維[12]等,但這些細菌載體存在穩(wěn)定性差、兼容性差、環(huán)境污染、成本高等缺點.因此,亟需一種成本較低、相容性較高、環(huán)境友好且便于施工的微生物載體.

石膏被廣泛用作強度要求較高、吸水率要求較低的建筑材料[13].石膏與其他類型細菌載體相比具有以下優(yōu)勢：礦產(chǎn)資源豐富,取材方便,價格低廉;與水泥基材料有良好的兼容性;結(jié)晶后比表面積大,無毒且pH值為中性,能給微生物提供較好的生存環(huán)境;易于制作,便于施工.本文研究了利用石膏作為細菌載體的可行性及其對珊瑚砂砂漿(CSM)自修復效果的影響.

1 試驗

1.1 原材料

石膏(G)為山東金信新型建材有限公司生產(chǎn)的β型半水石膏(CaSO4·0.5H2O);水泥(C)為福建省龍巖市三源水泥公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥;珊瑚砂(CS)取自南海,中砂.材料的主要化學組成1)見表1.珊瑚砂使用前用淡水沖洗并浸泡以達到脫鹽的目的,處理后珊瑚砂中氯離子含量低于0.03%[14].細菌為德國菌種保藏中心的編號DSM33巴氏芽孢桿菌,凍干粉狀菌種需要進行細菌活化,活化培養(yǎng)基為ATCC 1376 NH4-YE培養(yǎng)液.細菌培養(yǎng)過程中,使用去離子水以消除污染離子的影響.試驗所需其他藥劑均為分析純,購自國藥集團.

表1 材料的主要化學組成

1)文中涉及的組成、含量、摻量、水灰比等除特殊說明外均為質(zhì)量分數(shù)或質(zhì)量比.

1.2 含菌載體的制備及其最佳濃度比的確定

培養(yǎng)巴氏芽孢桿菌40h后,在轉(zhuǎn)速4000r/min下離心處理20min,得到細菌菌泥.將其重懸于去離子水中得到細菌濃度cBL為109cells/mL的菌液(BL).取6mL菌液分別與6.0、7.2、8.4、9.6和10.8g滅菌石膏粉末在50mL離心管中攪拌混合5min,得到含菌載體(BC).在含菌載體中加入尿素和去離子水,攪拌30s后,倒入事先準備好的裝有由水泥(2.5g)加去離子水配置而成的水泥懸浮液的三角瓶中,定容至100mL后放入100r/min的振蕩箱中3d,測試三角瓶中尿素質(zhì)量濃度的變化(Δρ(urea)),以此作為尿素的分解量來表征細菌對尿素的分解活性,從而確定含菌載體的最佳濃度比.細菌的尿素分解活性根據(jù)HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測定納氏試劑分光光度法》進行測定.作為對照,將未與石膏混合的6mL細菌懸浮液直接加入到水泥懸浮液中,經(jīng)過相同的程序后,測試尿素分解活性.混合物中各組分含量如表2所示,表中：ρC、ρG、ρ(urea)分別為水泥、石膏、尿素的質(zhì)量濃度；混合物的pH值約為12.5,高堿性的混合物是為了模擬水泥基材料內(nèi)部環(huán)境.

表2 混合物中各組分含量

1.3 CSM的制備

預試驗發(fā)現(xiàn)珊瑚砂與水泥的質(zhì)量比為750∶450時,砂漿具有較好的和易性與強度,因此選用該質(zhì)量比進行CSM試樣的制備.根據(jù)JTG E30—2005《公路工程水泥及水泥混凝土試驗規(guī)程》來拌制CSM,其水灰比為0.5.CSM拌制過程為：先將等物質(zhì)量的乳酸鈣與尿素混合組成底物(S)，再將由含菌載體與底物組成的自修復劑(SFA)和去離子水加入攪拌機內(nèi)拌和30s,按一定配合比將水泥加入攪拌機內(nèi)慢速攪拌30s,接著加入珊瑚砂,慢速攪拌30s,再快速攪拌30s,停止攪拌30s,再快速攪拌60s.CSM拌制完成后,將其澆筑到直徑40mm、高度10mm的模具中.成型后的試樣在相對濕度RH為95%、溫度為20℃的養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護24h,拆模后繼續(xù)置于養(yǎng)護箱內(nèi)養(yǎng)護至規(guī)定齡期,使用劈裂法制作裂縫，并通過嵌入不同直徑的鋼針來控制試樣裂縫的寬度.

為研究不同養(yǎng)護方式下裂縫的自修復效果,分別采用浸水養(yǎng)護、循環(huán)養(yǎng)護和濕養(yǎng)護方式進行裂縫的自修復試驗,這3種養(yǎng)護方式的條件均為：養(yǎng)護溫度25℃,養(yǎng)護時間28d.浸水養(yǎng)護是將試樣浸沒在水中,并連續(xù)通入空氣;濕養(yǎng)護是將試樣放在底部浸入水中的土工布上;循環(huán)養(yǎng)護是將試樣浸沒水中1h后取出,然后在空氣中暴露11h,該過程為1個循環(huán).

為研究不同自修復劑摻量對裂縫自修復效果的影響,含菌載體摻量wBC和底物摻量ws均取0%、1.5%、3.0%、4.5%(以水泥的質(zhì)量計),CSM的配合比見表3.各組試樣在相對濕度RH為95%、溫度為20℃的條件下養(yǎng)護至7d后制作裂縫,裂縫寬度為0.3mm,養(yǎng)護的方式為浸水養(yǎng)護.

表3 CSM的配合比

1.4 試驗方法

1.4.1自修復效果的表征方法

自修復效果的表征方法有面積修復率法和滲透系數(shù)法.面積修復率法是通過Image-J軟件對得到的裂縫圖片進行分析：先把拍攝獲得的原始圖片轉(zhuǎn)換為8bit圖像,將圖片降噪和調(diào)整對比度后進行二值化轉(zhuǎn)換,經(jīng)過閾值分割獲得未被修復的裂縫圖像,統(tǒng)計不同修復時間對應(yīng)裂縫的像素點個數(shù),就可以計算出相應(yīng)修復時間裂縫的面積修復率γ.滲透系數(shù)法參考Zhang等[15]采用的裝置和方法來計算試樣的滲水系數(shù)k.面積修復率法能夠表征裂縫表面的自修復效果,難以表征試樣內(nèi)部裂縫的自修復效果;而滲透系數(shù)法可以用來表征內(nèi)部裂縫的自修復情況.

多因素回歸分析結(jié)果(表4)表明：男性、高齡、動脈瘤部位(大腦中動脈瘤、多發(fā)動脈瘤)是動脈瘤開顱夾閉術(shù)后硬膜下并發(fā)癥發(fā)生的獨立危險因素(P<0.05)。

1.4.2裂縫區(qū)礦化產(chǎn)物分析

掃描電子顯微鏡(SEM)采用荷蘭Phenom-Word BV公司的型號為Phenom proX的臺式SEM,用濺射鍍膜儀處理待測試樣,試驗加速電壓為15kV.X射線衍射(XRD)儀為日本株式會社理學公司的SmartLab型X射線粉末衍射儀,試驗參數(shù)為40kV、30mA,掃描范圍為3°～60°.

1.4.3抗壓和抗折強度測試

試樣尺寸為40mm×40mm×160mm的棱柱體,制作好的試樣在標準條件下養(yǎng)護28d后,根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強度檢驗方法(ISO法)》,在上海榮計達儀器科技有限公司的DYE-300S試驗機上進行抗折、抗壓強度測試,每組3個試樣,結(jié)果取平均值.

2 結(jié)果與討論

2.1 含菌載體最佳濃度比的確定

不同石膏質(zhì)量濃度下細菌對尿素分解活性的影響見圖1.由圖1可見：隨著石膏質(zhì)量濃度ρG的增大,尿素分解量Δρ(urea)逐漸增加,說明在高堿環(huán)境下石膏對細菌起到了有效的保護作用;當石膏質(zhì)量濃度從60g/L增大到96g/L時,尿素分解量從9.65g/L增加至17.21g/L;當石膏質(zhì)量濃度達到96和108g/L時,細菌對尿素的分解活性均較高,且兩者的數(shù)值非常接近,這說明石膏質(zhì)量濃度為96g/L 時,石膏對細菌的保護作用已達到最佳.石膏對細菌的保護原理示意圖見圖2.由圖2可見：石膏包裹在細菌細胞的外部形成保護層,從而達到在高堿性環(huán)境中保護細菌的作用；石膏質(zhì)量濃度越大,細菌細胞外部的保護層越致密；當其質(zhì)量濃度達到一定值時,混凝土內(nèi)部的高堿性溶液已經(jīng)不能滲透其保護層,此時石膏對細菌的保護作用達到最佳狀態(tài).在此基礎(chǔ)上繼續(xù)增加石膏用量,已經(jīng)不能再提高這種保護效果,同時考慮到石膏增多可能給珊瑚砂水泥基材料的強度帶來不利的影響,因此當細菌濃度為6×107cells/mL時,選擇石膏質(zhì)量濃度為96g/L來進行后續(xù)試驗研究.

圖1 不同石膏質(zhì)量濃度下細菌對尿素分解活性的影響Fig.1 Effects of bacteria on urea decomposition activity under different gypsum concentration

圖2 石膏對細菌的保護原理示意圖Fig.2 Schematic diagram of the protection principle of gypsum on bacteria

2.2 自修復劑及養(yǎng)護方式對裂縫自修復效果的影響

2.2.1自修復劑對裂縫自修復效果的影響

浸水養(yǎng)護試驗中,取A組試樣(未摻入自修復劑)作為對照組.圖3為浸水養(yǎng)護下A、K組試樣裂縫表面自修復情況.由圖3可見：摻加了自修復劑的K組試樣在各個階段的裂縫自修復效果明顯優(yōu)于A組試樣;K組試樣修復7d后裂縫基本閉合,而A組試樣修復28d后裂縫仍然清晰可見.圖4為A、K組試樣裂縫的自修復效果.由圖4(a)可見：K組試樣3、7、28d 裂縫的面積修復率γ分別為50.2%、85.3%、97.2%;A組試樣從3d到28d裂縫的面積修復率僅由28.7%緩慢增長到38.8%,其裂縫面積修復率的增加是由于水泥的水化作用導致的.由圖4(b)可見：隨著養(yǎng)護時間的延長，A、K組試樣的滲透系數(shù)k均減小,但2組試樣滲透系數(shù)減少的幅度存在較大差異,僅靠自身水化作用的A組試樣對裂縫的修復能力有限,經(jīng)過28d養(yǎng)護后滲透系數(shù)為0.117m/s,而添加了自修復劑的K組試樣,滲透系數(shù)隨養(yǎng)護時間增加明顯減小,養(yǎng)護7d后其滲透系數(shù)接近0m/s,這說明了石膏作為細菌載體修復珊瑚砂混凝土裂縫的可行性.

圖3 浸水養(yǎng)護下A、K組試樣裂縫表面自修復情況Fig.3 Self-healing of cracks in group A and K samples under immersion curing conditions at different times

圖4 A、K組試樣裂縫的自修復效果Fig.4 Self-healing effects of cracks in group A and K samples

對比2種裂縫修復效果的評價方法發(fā)現(xiàn),雖然面積修復率法不能直接反映裂縫內(nèi)部的修復情況,但與滲透系數(shù)法所體現(xiàn)的修復效果趨勢是一致的.滲透系數(shù)法能反映裂縫修復引起的抗?jié)B性提升,從而間接表明試樣裂縫內(nèi)部的修復情況,在實驗室內(nèi)可以使用該方法,但在具體工程上難以進行滲水試驗,而面積修復率法操作較為簡單,易于收集處理數(shù)據(jù),在實驗室與現(xiàn)場工程中都可以使用,因此采用面積修復率法進行后續(xù)試驗研究.

2.2.2養(yǎng)護方式對裂縫自修復效果的影響

不同養(yǎng)護方式下K組試樣裂縫自修復效果見圖5.由圖5可見：3種養(yǎng)護方式中,浸水養(yǎng)護裂縫自修復效果最好,循環(huán)養(yǎng)護自修復效果最差,濕養(yǎng)護自修復效果居中.分析其原因：浸水養(yǎng)護在不斷的通入空氣的情況下進行,水促進了離子和氣體在裂縫中的運移,不僅有利于細菌的礦化作用,而且還促進了水泥的水化作用,所以自修復效果最好;循環(huán)養(yǎng)護為浸水1h,瀝水11h,雖然裂縫與空氣可以充分接觸,但由于裂縫中水分的快速流失,阻礙了細菌的礦化和水泥的水化作用,因此裂縫自修復效果最差;濕養(yǎng)護方式下,水可以通過毛細作用到達裂縫處,雖然裂縫中水分沒有浸水養(yǎng)護充盈,但由于水對裂縫修復的促進作用,因此其自修復效果要好于循環(huán)養(yǎng)護.

圖5 不同養(yǎng)護方式下K組試樣裂縫的自修復效果Fig.5 Self-healing effects of cracks in group K samples under different curing methods

2.3 自修復劑配比及摻量對自修復效果的影響

不同含菌載體與底物摻量下試樣裂縫的自修復效果見圖6.由圖6可見：對于含菌載體摻量為0%的試樣,底物摻量從0%增加至4.5%時,試樣裂縫的面積修復率無明顯變化;對于底物摻量為0%的試樣,含菌載體摻量的增加也對試樣的裂縫面積修復率無明顯影響.Bhaskar等[16]研究也發(fā)現(xiàn)了類似的試驗結(jié)果,只摻入底物對試樣裂縫自修復效果的提高微不足道.Xu等[17]的研究中,僅添加底物的試樣自修復后裂縫內(nèi)只觀察到少許充填物,他們將其歸因于環(huán)境中存在的少量雜菌誘導礦化作用所致.綜上,單純添加含菌載體或者底物對裂縫的自修復效果影響有限.

圖6 不同含菌載體和底物摻量試樣裂縫的自修復效果Fig.6 Self-healing effects of cracks with different bacterial carrier and substrate dosage

由圖6還可見：當含菌載體摻量為1.5%時,底物摻量從0%增加至4.5%時,試樣裂縫的面積修復率從25.1%增加至63.2%,當含菌載體摻量為3.0%和4.5%時,也發(fā)現(xiàn)了類似的規(guī)律,這說明當含菌載體摻量一定時,試樣裂縫的自修復效果隨著底物摻量的增加而增大;當?shù)孜飺搅恳欢〞r,試樣裂縫的自修復效果隨著含菌載體摻量的增加而增大.由此可見,相同條件下,含菌載體和底物摻量的增加會促進細菌的礦化作用,生成更多的碳酸鈣沉淀封堵裂縫,從而達到較好的裂縫修復效果.值得注意的是,隨著含菌載體與底物摻量的增加,試樣裂縫的面積修復率相對于對照試樣得到有效的提高,但這種修復率的提高并不是線性的,而是在含菌載體和底物摻量均為3.0%后開始減緩.

2.4 裂縫區(qū)礦化產(chǎn)物分析

2.4.1SEM分析

K組試樣的SEM圖見圖7.由圖7可見：裂縫處沉淀物主要為類似于方解石的塊狀晶體,部分晶體呈現(xiàn)出球狀形態(tài),與球霰石型碳酸鈣形態(tài)相近;塊狀晶體中存在一些孔洞.晶體中孔洞的存在體現(xiàn)了細菌在礦化沉積修復裂縫中的成核位點作用.

圖7 K組試樣的SEM圖Fig.7 SEM pattern of group K sample

2.4.2XRD分析

裂縫處沉淀物的XRD圖譜見圖8.由圖8可見：裂縫中生成的沉淀物主要是方解石和球霰石型碳酸鈣,驗證了SEM試驗的推斷結(jié)果.類似的結(jié)果在Achal等[18]的研究中也有報道.除了方解石與球霰石型碳酸鈣,其他形式的碳酸鈣晶型如文石在Wiktor等[19]研究中有發(fā)現(xiàn),但在本試驗的結(jié)果中沒有觀察到,這可能是由不同的生長介質(zhì)成分、基質(zhì)類型、pH值、溫度、細菌和有機物種類等[20]造成的.

圖8 裂縫處沉淀物的XRD圖譜Fig.8 XRD spectrum of precipitates at crack

2.5 自修復劑對CSM抗壓和抗折強度的影響

自修復劑對CSM抗壓和抗折強度的影響見圖9.由圖9可見：隨著含菌載體與底物摻量的增加,CSM的抗壓強度與抗折強度均逐漸降低;當?shù)孜飺搅繛?%時,含菌載體摻量為3.0%時,與未摻自修復劑的A組試樣相比,CSM的抗壓、抗折強度分別降低了5.4%和4.8%,當含菌載體摻量提高為4.5%時,其抗壓、抗折強度分別降低了16.8%和9.0%,這說明含菌載體對CSM的力學性能具有負面影響,但僅當含菌載體摻量高于3.0%時,其抗壓、抗折強度才顯著降低;當含菌載體摻量為0%,底物摻量高于3.0%時,CSM的抗壓、抗折強度顯著降低;同時添加含菌載體與底物,砂漿的力學性能進一步降低,當二者的摻量均為3.0%時,CSM的抗壓、抗折強度分別降低了11.9%和8.5%.Jonkers[7]使用多孔膨脹顆粒保護微生物自修復混凝土裂縫時,自修復劑的摻入會使混凝土強度降低50%.Wang等[11]使用水凝膠載體保護微生物,發(fā)現(xiàn)載體的摻入會明顯降低水泥基材料的力學性能,添加1%的水凝膠就會使試樣的抗壓強度與抗拉強度分別降低23.4%與30.0%.與上述2種載體相比,石膏作為細菌載體在保持自修復能力的同時,能夠較好地維持水泥基材料的強度.由于安全原因,在實際工況下抗壓強度的大幅降低是不可接受的,而含菌載體和底物的摻量在3.0%以內(nèi)時,CSM的抗壓強度為32MPa,在許多實際應(yīng)用中是可以接受的,因此建議將含菌載體與底物的摻量均限制在不超過3.0%.此外,還可以通過加入某些功能性添加劑(例如減水劑)來提高砂漿的力學強度.

圖9 自修復劑對CSM抗壓和抗折強度的影響Fig.9 Effects of self-healing agent on the compressive and flexural strength of CSM

綜上,含菌載體和底物摻量均為3.0%的自修復劑對裂縫具有較好的自修復效果,同時對CSM強度影響相對較小.

3 結(jié)論

(1)當細菌濃度為6×107cells/mL,石膏質(zhì)量濃度為96g/L時,細菌活性最大.

(2)摻入石膏為細菌載體的自修復劑后,試樣裂縫的面積修復率可達到97.2%,滲透系數(shù)接近0m/s;試樣裂縫的自修復率隨著自修復劑摻量的增加而呈非線性增大;浸水養(yǎng)護、循環(huán)養(yǎng)護和濕養(yǎng)護方式中,浸水養(yǎng)護方式下裂縫的自修復效果最好;裂縫區(qū)生成物主要是方解石和球霰石型碳酸鈣.

(3)自修復劑(含菌載體和底物)的摻入對試樣的力學性能具有負面影響,當含菌載體和底物摻量均為3.0%時,試樣裂縫有較好的自修復效果,同時對珊瑚砂砂漿強度影響相對較小，建議含菌載體與底物的摻量不超過3.0%.

(4)石膏作為細菌載體是可行的,但在工程中的實際應(yīng)用效果還需要進一步的研究,包括成本、壽命以及環(huán)境和社會效益等.