摘 要：利用微生物誘導(dǎo)碳酸鹽沉淀以實現(xiàn)混凝土微裂縫的自愈合成為近年來的研究熱點，研究發(fā)現(xiàn)，適宜的載體對自愈合的效果有著決定性的作用。該文選用劍麻纖維作為載體，制備一種帶有微生物生物膜的劍麻纖維混凝土裂縫自愈合混凝土，在研究負(fù)載微生物后芽孢在高堿性環(huán)境中活性以及優(yōu)化劍麻纖維摻量的基礎(chǔ)上，評價其自愈合能力與材料的力學(xué)性能。結(jié)果表明：負(fù)載在劍麻纖維中的芽孢，經(jīng)高堿溶液長時間處理后，脲酶活性仍達(dá)到95.9%；劍麻纖維摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.7%時為最優(yōu)摻量；采用劍麻纖維作為微生物負(fù)載材料的混凝土修復(fù)效果和力學(xué)性能均優(yōu)于對照組，其中，劈裂抗拉強(qiáng)度和抗壓強(qiáng)度較普通混凝土分別提高15.3%、25.1%，抗?jié)B修復(fù)率達(dá)到94.7%，初始裂縫寬度0.9mm以內(nèi)的裂縫，其愈合率達(dá)到100%，最大修復(fù)寬度為1.12mm。
關(guān)鍵詞：微生物；自愈合；劍麻纖維；力學(xué)性能；裂縫；混凝土
0 引言
混凝土因成本低、可塑性好、耐久性好等原因成為目前建筑材料中用量最大的一種，然而混凝土因其固有的脆性和低韌性極易在早期出現(xiàn)裂縫缺陷而造成開裂[1]，為氧氣、水分、氯離子的侵入提供了通道，加速了混凝土結(jié)構(gòu)破壞[2-5]。傳統(tǒng)的混凝土結(jié)構(gòu)開裂的處理方法有灌漿法和表面處理法，但這些方法往往屬于事后補(bǔ)救且須消耗大量的人力、物力[6]。微生物自愈合混凝土能夠持久、快速、自主修復(fù)裂縫，被認(rèn)為是目前最具潛力的修復(fù)方式之一[7]。微生物添加于混凝土拌合物中，當(dāng)混凝土成型受力開裂時，水、二氧化碳和其他化學(xué)物質(zhì)（SO42-和NO3-）滲入混凝土裂縫促進(jìn)菌體誘導(dǎo)形成礦化物質(zhì)，進(jìn)而實現(xiàn)裂縫自愈合并改善混凝土結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)性能[8-9]。
然而，混凝土高堿性和低孔隙率限制了微生物的生長。Johers等[10]將孢子直接摻入混凝土中，研究發(fā)現(xiàn)，隨著水泥水化的進(jìn)行，混凝土內(nèi)部空隙孔徑不斷減小，內(nèi)部pH值通常在13以上，在此條件下90d時微生物存活率不到10%。因此，為提高微生物的存活率，降低混凝土周圍不利環(huán)境對微生物的影響，需要選擇合適的載體對微生物進(jìn)行保護(hù)。近年來，很多學(xué)者在載體的選擇上做了大量研究工作。Zhang等[11]采用硫鋁酸鹽水泥作為負(fù)載體，研究結(jié)果表明，微生物修復(fù)期延長至122d以上。Khaliq等[12-13]采用膨脹珍珠巖作為負(fù)載中介，發(fā)現(xiàn)負(fù)載后修復(fù)效果明顯。高毛毛[14]選用橡膠顆粒作為巴氏芽孢桿菌的載體，經(jīng)自修復(fù)28d后，最大修復(fù)寬度達(dá)到0.86mm。Wang等[15-17]采用聚氨酯、硅膠、硅藻土、水凝膠作為微生物載體，發(fā)現(xiàn)開裂試件經(jīng)自修復(fù)后力學(xué)性能、抗?jié)B透系數(shù)均有不同程度提高。
植物纖維因其拉伸強(qiáng)度高，抗酸堿腐蝕、耐磨性好等特點被廣泛應(yīng)用于混凝土中，近年來針對植物纖維力學(xué)性能、裂縫阻裂和抗干收縮的研究較多，但關(guān)于植物纖維作為微生物載體的研究較少。本文選用劍麻纖維作為載體，研制一種帶有微生物生物膜的劍麻纖維混凝土裂縫自愈合混凝土，并研究其自修復(fù)效果，以期為基于微生物礦化的混凝土裂縫自修復(fù)技術(shù)推廣提供參考。
1 材料與方法
1.1 原材料
工作菌株：選用巴氏芽孢桿菌（Sporosarcina pasteuii）。劍麻纖維：選用廣西劍麻纖維公司的劍麻纖維，其基本物理指標(biāo)見表1。水泥：采用重慶萬州西南科華水泥公司生產(chǎn)的42.5級普通硅酸鹽水泥。細(xì)骨料：普通河砂（細(xì)度模數(shù)2.1）。粉煤灰：選用重慶天耀建材公司生產(chǎn)的高鈣粉煤灰。粗骨料：5~20mm連續(xù)集配的碎石。減水劑：聚羥酸型減水劑。
表1 劍麻纖維力學(xué)性能參數(shù)
1.2 微生物的選用及培養(yǎng)
使用芽孢桿菌培養(yǎng)基（表2）培養(yǎng)。培養(yǎng)基滅菌后接種菌株，然后在30℃、120r/min的搖床中進(jìn)行振蕩培養(yǎng)。細(xì)菌培育2d后，在離心機(jī)上離心10min，經(jīng)無菌生理鹽水反復(fù)洗滌后獲得濃縮菌液，并在水浴中（80℃）加熱20min去除營養(yǎng)細(xì)胞以確保營養(yǎng)細(xì)胞均轉(zhuǎn)化為芽孢，然后儲存在4℃的冰箱中待用。
表2 巴氏芽孢桿菌培養(yǎng)基
1.3 劍麻纖維負(fù)載微生物材料的制備
將劍麻纖維在超聲波清洗儀中清洗50min以除去雜質(zhì)，后轉(zhuǎn)移至烘箱中干燥，1d后取出備用。將濃縮菌液用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.9%的生理鹽水稀釋至濃度為1.8×108 cell/mL。將100g劍麻纖維浸入500mL稀釋后的菌液中，采用真空吸附法，在0.9MPa的負(fù)壓下吸附30min。然后將負(fù)載后劍麻纖維置于40℃的烘箱中烘干，重復(fù)數(shù)次浸烘循環(huán)，直至菌液吸干。為防止微生物在攪拌過程中流失，對劍麻纖維表面進(jìn)行包裹處理，具體過程為：用一定體積比（水玻璃：水=8：2）的水玻璃稀釋液對已完成負(fù)載的劍麻進(jìn)行均勻噴灑，自然養(yǎng)護(hù)1d后，40℃烘干至恒重，待用。
1.4 微生物活性檢驗
為檢驗負(fù)載后的芽孢在高堿性環(huán)境下的活性，采用文獻(xiàn)[18]的研究方法，測量尿素溶液導(dǎo)電率的變化率，將導(dǎo)電率的變化率轉(zhuǎn)化為脲酶活性（式1）。稱取已負(fù)載完成的劍麻纖維1g/份，共計14份；按實驗1.4的方法配置5mL/份的菌液稀釋液。對新制拌的普通硅酸鹽水泥漿離心提取堿性溶液，隨后將負(fù)載體、菌液稀釋液浸泡在制備的20mL堿性溶液中，以模擬混凝土內(nèi)部堿性環(huán)境對微生物活性的影響。每隔兩天進(jìn)行活性檢測。
式中：U—微生物的脲酶活性，mM urea/min；?C—5min的溶液電導(dǎo)率變化量，ms；t—檢測時間，5min。
1.5 優(yōu)化纖維摻量
選用長度為16mm的劍麻纖維，通過混凝土力學(xué)性能試驗確定劍麻纖維的最佳摻量?；炷辆唧w配比如表3所示，其中劍麻纖維摻量分別為膠凝材料質(zhì)量的0%、0.1%、0.4%、0.7%、1%。成型試件尺寸為100×100×100mm，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)至28d后，分別測試試件抗壓強(qiáng)度，確定劍麻纖維在試件中的最佳摻量。
表3 混凝土試件配比（kg/m3）
1.6 自愈合混凝土試件制備
為對比不同自愈劑的愈合效果，設(shè)計了3組不同配比混凝土，劍麻纖維摻量選擇2.1節(jié)中的最佳摻量，混凝土配比見表4。采用100×100×100mm的立方體試件和φ100×50mm的圓柱體試件，24h脫模，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
表4 混凝土試件配比（kg/m3）
1.7 預(yù)制裂縫及養(yǎng)護(hù)方法
將養(yǎng)護(hù)至7d的圓柱試件晾干，在圓柱體試件側(cè)面纏繞膠帶，防止加載過程時試塊裂縫擴(kuò)大。在萬能壓力機(jī)上以0.01mm/s的加速度對試塊進(jìn)行加載，聽到破裂聲時停止加載，見圖1。由于受到兩側(cè)膠帶的約束作用，試件裂縫寬度范圍為0.1~1.2mm。將預(yù)制完的試件放置到溫度為25℃，完全浸沒在水中養(yǎng)護(hù)修復(fù)。
1.8 氯離子滲透
圓柱體試件標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d后，取出試件，對試件打磨和清潔處理。把試件浸入氫氧化鈉溶液中，進(jìn)行真空處理。經(jīng)真空處理后的試件安裝在實驗槽內(nèi)并密封，根據(jù)《普通混凝土長期性能和耐久性能試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 50082—2009），測量電通量。按照式（2）計算混凝土氯離子遷移系數(shù)。
式中：DRCM——混凝土的非穩(wěn)態(tài)氯離子遷移系數(shù)，單位精確至0.1×1012m2/s；U——所用電壓的絕對值，V；T——陽極溶液的初始溫度和結(jié)束溫度的平均值，℃；L——試件高度（mm），單位精確至0.1mm；Xd——氯離子滲透平均值（mm），單位精確至0.1mm；t——試驗持續(xù)時間，h。
1.9 滲透系數(shù)
由于滲透實驗中，水流的沖刷作用會造成自愈成分流失，影響愈合效果。因此，不同齡期使用不同組試件測試。采用滲透系數(shù)表征試塊裂縫修復(fù)前后的滲透性。為減少混凝土吸水帶來的誤差，將試塊浸泡在水中1d，隨即進(jìn)行滲透實驗，如圖2所示。測試時，試塊與夾板接縫處用環(huán)氧樹脂封堵防止水分外滲，記錄5min內(nèi)通過試樣的滲水量Q（單位為m3）。按式（3）計算抗?jié)B修復(fù)率。
式中：Q0為第一天時的滲水量；Qn為各齡期自修復(fù)后的滲水量（n=3d，7d，14d，28d）。
1.10 寬度修復(fù)率
借助裂縫寬度儀測量裂縫修復(fù)前后寬度變化，采用寬度修復(fù)率系數(shù)（式4）量化裂縫自修復(fù)效果。
式中：C1為初始裂縫寬度，mm；C2為28d自修復(fù)后所測裂縫寬度，mm。
2 結(jié)果與討論
2.1 芽孢活性檢驗
將5mL的2mol/L的尿素溶液與1mL的待測液混合，然后測量5min內(nèi)混合液導(dǎo)電率變化。圖3為不同測試組在高堿溶液中脲酶活性變化趨勢圖。從圖3可以看出，直接置于高堿性溶液中的芽孢，隨著浸泡時間的延長，芽孢活性迅速下降，到6d后，脲酶活性只有最初的50%。在18d時，已檢測不出脲酶活性。相比之下，經(jīng)劍麻纖維負(fù)載后的芽孢，在高堿性溶液28d浸泡后，其脲酶活性仍達(dá)到95.9%。這說明劍麻纖維能有效延長孢子在堿性環(huán)境中的存活時間，為后期混凝土的持續(xù)自修復(fù)提供了可能性。
2.2 確定劍麻纖維的最佳摻量
圖4為不同劍麻纖維摻量混凝土28d抗壓強(qiáng)度。由圖4可知，隨著劍麻纖維摻量的增加，試件的28d抗壓強(qiáng)度逐漸增加，當(dāng)纖維摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.7%時，抗壓強(qiáng)度最大，為52.3MPa，這可能是因為劍麻纖維周圍的水與纖維素的羥基構(gòu)成氫鍵變成結(jié)合水，同時一部分水進(jìn)入纖維空腔形成毛細(xì)管水，從而抑制混凝土泌水[19]，當(dāng)劍麻纖維摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.7%時，這種抑制程度最大。隨著纖維摻量繼續(xù)增加，劍麻纖維吸水性的不利影響開始增大，導(dǎo)致纖維周圍的水泥水化所需水不足，反而影響混凝土強(qiáng)度的發(fā)展[20]。再者，劍麻纖維在攪拌過程中易聚團(tuán)，削弱了基體粘接，這兩方面原因使劍麻纖維在混凝土內(nèi)部引發(fā)的缺陷增多，最終導(dǎo)致整體強(qiáng)度下降。
一般認(rèn)為，微生物負(fù)載量越大，發(fā)生礦化的幾率越高，在保證混凝土達(dá)到一定的抗壓強(qiáng)度的前提下，結(jié)合實驗1.4的測試結(jié)果，可認(rèn)為劍麻纖維最佳摻量為膠凝材料質(zhì)量的0.7%。
2.3 力學(xué)性能
圖5a為不同混凝土的劈裂抗拉強(qiáng)度隨時間變化過程，從圖中可以看出，在整個測試階段，劍麻纖維負(fù)載微生物混凝土劈裂抗拉強(qiáng)度明顯高于NC、AEC兩組，其中28d劈裂抗拉強(qiáng)度為5.26MPa，較普通混凝土提高了15.3%。這是由于纖維橋聯(lián)阻裂作用，當(dāng)裂縫擴(kuò)展時，裂縫兩端的纖維會增加拉力，阻礙裂縫進(jìn)一步變形擴(kuò)張。圖5b為不同混凝土抗壓強(qiáng)度隨時間變化過程，從圖中可以看出，相較于其他對照組，劍麻纖維的摻入能夠?qū)炷量箟簭?qiáng)度產(chǎn)生一定的增強(qiáng)作用，其中，28d抗壓強(qiáng)度比NC組提高25.1%。綜上說明劍麻纖維作為負(fù)載體與基體相容較好，能有效提高既有混凝土的力學(xué)性能。
2.4 氯離子滲透
實驗結(jié)果顯示（圖6），劍麻纖維負(fù)載微生混凝土（FEC）氯離子遷移系數(shù)最大，為6.09×1012m2/s，較普通混凝土（NC）增加了23.68%。值得注意的是，摻入菌體與營養(yǎng)物質(zhì)的AEC組氯離子遷移系數(shù)最低。實驗結(jié)果表明，菌體及營養(yǎng)物質(zhì)的摻入一定程度上能提高混凝土抗氯離子的滲透性，但劍麻纖維的摻入反而使混凝土抗氯離子滲透性降低。
2.5 抗?jié)B修復(fù)率
圖7為不同試件抗?jié)B效果?？梢钥闯?，經(jīng)過28d的自修復(fù)，試件的抗?jié)B修復(fù)率均有提高。值得注意的是，對照組NC在不同固化期的抗?jié)B修復(fù)率增長幅度很小，僅為4.2%。這主要是由于裂縫處的水泥的二次水化生成的碳酸鈣對裂縫進(jìn)行了一定程度的填補(bǔ)，但水泥二次水化起到的自愈合作用效果并不明顯。而AEC試件的抗?jié)B修復(fù)率隨著養(yǎng)護(hù)時間的延長，抗?jié)B修復(fù)速率逐漸減緩，28d時抗?jié)B修復(fù)率只達(dá)到48.3%。相比之下，養(yǎng)護(hù)時間對劍麻負(fù)載微生物FEC的負(fù)面影響較小，28d時裂縫抗?jié)B修復(fù)率達(dá)到94.7%。可見，劍麻纖維負(fù)載微生物作為裂縫自愈合材料能明顯改善裂縫處的抗?jié)B性能。
2.6 裂縫寬度修復(fù)率
圖8為摻入不同混凝土試塊修復(fù)前后表面裂縫對比圖。經(jīng)過28d的自修復(fù)，空白對照組NC的裂縫寬度基本沒有變化，而摻入菌體與營養(yǎng)物質(zhì)的AEC組可以觀察到間斷分布的白色填充物；相比之下，劍麻纖維負(fù)載微生物FEC組，修復(fù)效果較為顯著，其裂縫幾乎被白色物質(zhì)完全填充。圖9比較了三種混凝土在不同裂縫寬度下的修復(fù)能力，從裂縫的修復(fù)率可以看出，裂縫的自愈合效果隨裂縫寬度變化而有明顯差異。經(jīng)過28d修復(fù)后，NC組僅有0.14mm以內(nèi)的裂縫能完全愈合。而對于劍麻纖維負(fù)載微生物混凝土裂縫FEC組，0.9mm以內(nèi)的裂縫實現(xiàn)完全愈合，其中最大修復(fù)寬度達(dá)到1.12mm，與直接摻入菌體的AEC組最大裂縫修復(fù)寬度0.51mm相比，最大裂縫修復(fù)寬度提高了約1.20倍。上述實驗表明采用劍麻纖維負(fù)載微生物能有效提高混凝土裂縫自愈合效果。
2.7 微觀結(jié)構(gòu)分析
圖10為劍麻纖維負(fù)載微生物混凝土裂縫處礦化沉淀微觀結(jié)構(gòu)，從圖中可以看出，在裂縫處的劍麻纖維周圍分布著大量白色塊狀的沉淀物；不同沉淀物之間通過纖維相互拉結(jié)，形成蛛網(wǎng)結(jié)構(gòu)，并與基體錨固，增加了混凝土的粘結(jié)力。圖11為相同樣品經(jīng)XRD衍射的分析圖，圖譜衍射峰表明生成物的主要成分為方解石、球霰石和文石，證實了碳酸鈣的存在。
3 結(jié)論
本文在研究劍麻纖維摻量對混凝土力學(xué)性能的影響及在高堿環(huán)境中芽孢存活時間基礎(chǔ)上，主要探討了劍麻纖維負(fù)載微生物混凝土的力學(xué)性能和自愈合能力。通過研究得到如下結(jié)論：
（1）采用導(dǎo)電率變化評價負(fù)載后微生物芽孢在堿性環(huán)境下的活性，發(fā)現(xiàn)浸泡28d后，經(jīng)負(fù)載后的芽孢的脲酶活性仍達(dá)到95.9%；
（2）通過對比劍麻纖維不同摻量對混凝土抗壓強(qiáng)度的影響，發(fā)現(xiàn)當(dāng)劍麻纖維摻量為0.7%時，混凝土抗壓強(qiáng)度最大。為提高微生物負(fù)載量，劍麻纖維摻量確定為膠凝材料質(zhì)量的0.7%；
（3）劍麻纖維作為微生物負(fù)載材料摻入混凝土中，混凝土的力學(xué)性能相較于普通混凝土強(qiáng)度顯著提高。其中，劈裂抗拉強(qiáng)度提高15.3%，抗壓強(qiáng)度提高25.1%。混凝土裂縫經(jīng)28d自修復(fù)，抗?jié)B修復(fù)率達(dá)到94.7%；寬度小于0.9mm的混凝土裂縫可完全愈合，最大修復(fù)寬度為1.12mm。
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