一种自愈合混凝土强度与愈合时间的研究

一种自愈合混凝土强度与愈合时间的研究

方帆 李嘉瑜  费爱萍（通讯作者） 张军（通讯作者）

辽宁科技大学 土木工程学院

辽宁省鞍山市 114032

摘要 在本研究中采用多孔陶粒作为微生物载体，通过加入细菌愈合剂来达到混凝土裂缝自愈合的目的。在优化陶粒掺量的基础下，从观察28d养护水泥试件样品裂缝修复与测定7d养护混凝土抗压强度，研究该混凝土的自愈时间、愈合情况及抗压强度。研究表明陶粒含量达50%时混凝土抗压强度最高，同时芽孢杆菌可以作为愈合剂修复混凝土产生的细小裂缝且强度仍然达标，裂缝最大修复宽度约为2mm。

关键词：芽孢杆菌，混凝土，裂缝，自修复，陶粒

引言：混凝土具有强度高、造价低廉、制造工艺简单等特点，是目前世界上使用最为广泛的一种建筑材料。但由于荷载、温差或不均匀沉降等原因不可避免的会形成细小裂缝，产生损耗，裂缝进一步扩展并逐渐串通从而出现较大裂缝即：有害裂缝。裂缝的进一步扩大可能导致坍塌事故的发生[ 1 ]。这些裂缝不仅会使其性能大大降低，而且在后续人工修复与加固工作中造成巨大的时间与精力损失，并产生巨额修复费用。

而微生物混凝土具有自主修复微小裂缝的能力，可以保证混凝土结构的耐久性与整体性，降低后期维护费用。目前基于微生物自修复混凝土的研究也已取得一定进展，Jonkers[ 2 ]等研究表明随着混凝土养护龄期的延长，其内部微生物含量极剧减少，到135d时很难检测出细菌。因此需要使用载体对微生物进行固载，使得微生物可以抵抗混凝土内部强碱环境，同时具有一定的生存空间。日本东北大学三桥博三教授利用玻璃纤维制成空心胶囊来包裹细菌。美国Carolyn Dry教授采用空心玻璃短管作为载体[ 3~4]。陶粒，也是一种适合固载微生物的载体，其在混凝土工程中应用也已比较广泛。本研究采用陶粒固载枯草芽孢杆菌，掺入混凝土中采用弯曲法产生2~3mm内的裂缝。通过微生物的矿化反应产生碳酸钙填补裂缝，并从力学性能与耐久性方面对自愈合混凝土展开研究。

1.微生物载体选择

要使混凝土达到自愈合的效果，首先要考虑的是保证芽孢杆菌在混凝土中保存活性，混凝土属强碱性，在凝结硬化后内部空间极具减小，生存条件非常恶劣。因此需要一种载体使芽孢杆菌固载于其上保证一定的生存空间，免受外部混凝土强碱环境的影响；载体的材料应尽可能与混凝土基体材料性质相近，以确保修复剂与基体材料相结合的界面过渡区强度足够高；载体颗粒本身应具有一定的强度，以防止在混凝土搅拌振捣过程中发生大量破碎，使混凝土本身的强度不达标；载体颗粒形状应尽可能接近球形，当混凝土受压或受拉时不规则的载体颗粒尖端往往会成为应力集中的区域，导致混凝土整体的强度降低[ 5 ]。综合以上要求，我们选择了陶粒作为枯草芽孢杆菌的载体。

2.陶粒配合比设计

2.1混凝土强度实验

将计算好的各部分材料依次加入，如表1所示，试件水灰比0.38，砂胶比0.90，试件尺寸100×100×100（mm）,每种含量做三组，然后按照《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）[ 6 ]养护试件，24h脱模养护至7d龄期后，用YAW-2000KN型号压力机进行测试，加载速度0.5KN/s，测试7d的抗压强度

表1水泥砂浆试件配比

2.2陶粒掺量优化

采用陶粒等体积替换骨料的方法制备混凝土试件，确保试件中骨料总体积不变，养护7d龄期后通过抗压强度测试确定陶粒最优替换量，抗压强度最大的试件即为最佳配合比。陶粒的基本性能如表2

表2陶粒的基本性质

本实验采用等体积替换法，陶粒质量计算公式为：M陶粒=ρ陶粒*（m石子/ρ石子）*T

式中：M陶粒—陶粒质量，ρ陶粒—陶粒密度，m石子—石子质量，ρ石子—石子密度，T—陶粒占石子的体积百分比。

为了混凝土强度不受太大影响，同时降低混凝土成本，需要控制陶粒的掺量，随着陶粒所占体积增大，混凝土内部包含的芽孢杆菌就越多，在裂缝修复上也有着更显著的成效[7]。因此我们在40%~60%范围之间选取陶粒所占石子的体积，以40%、45%、50%、55%、60%的比例（分别编号A1，A2，A3，A4，A5）进行试件的制备[8]。按0.38的水灰比制成100×100×100的试件，每组三块，同时设置不添加陶粒的试块作对照(编号A0)，实验开始前对陶粒进行浸泡8h处理，在同等条件下养护7d龄期后进行标准压力测试。试验结果如表3所示，平均抗压强度如图3。

表3 不同陶粒掺量混凝土试件强度测试结果

图2不同陶粒掺量试件平均抗压强度

根据实验结果，当陶粒掺量低于50%时，随着陶粒掺量的增加混凝土试件的抗压强度也随着增加，但增长速度明显放缓，增长速率由6.6%降为4.9%；当陶粒掺量高于50%时，混凝土试件抗压强度随陶粒含量的增加逐渐降低；当陶粒掺量为50%时抗压强度最高，为21.3MPa。

原因在于当陶粒掺量达到50%后，陶粒本身多孔低强度的影响逐渐增大，陶粒自身的强度作为影响混凝土强度的一个主要因素[9]，因此混凝土整体强度有所降低。

3愈合性能研究

3.1芽孢杆菌的固载

将菌株置于标准培养基中培养至稳定期，参照GB 4789.44-2016《食品中微生物学检验 植物蛋白酶产生菌检验》[ 10 ]对菌株进行检验，合格后用离心机以4000r/min的速度离心5分钟，使用去离子水反复洗涤数次后得到浓缩芽孢杆菌菌液。

按表4所示配置细菌营养液，按石子粒径6~15mm对所取陶粒进行筛分，加入陶粒浸泡，每组取600g陶粒放入200ml细菌溶液中2h后取出，放入40℃烘箱中恒温烘干2h，取出称量陶粒重量。重复数次浸泡烘干，使芽孢杆菌固载于陶粒内部空隙中，记录每次烘干前后陶粒重量，烘干后陶粒重量不在发生变化，可认为细菌固载完成。

表4 细菌营养液成分

3.2 自愈合混凝土试件制备

将水泥等矿物材料均匀混合，按照粒度从小到大的顺序，先加入细砂后倒入陶粒，然后加水快速搅拌。将拌制好的混凝土装入100×100×100ｍｍ 的立方体模具中。装模振捣时，将模具在振捣台振动15次后刮平，为避免陶粒上浮，应边振动边用钢筋进行插捣，24h后脱模置于恒温（20±3）℃、湿度大于95％的养护室内养护至7d龄期，然后取出烘干，均分两组备用。

3.3 混凝土裂缝修复效果

将未进行细菌愈合菌浸泡处理的混凝土试件与自愈合混凝土试件通过弯曲法产生大小相仿的裂缝，在相同条件下水浴养护相同的时间并每天进行观察，在第一天的时候裂缝处两者并无明显区别，在第七天的时候普通混凝土试件裂缝处与第一天相同，自愈合混凝土试件裂缝处出现少许填补，在第28天的时候，普通混凝土试件裂缝与第一天相同，而自愈合混凝土试件裂缝处出现明显愈合现象。                                                     

图5 加愈合菌与否28d裂缝愈合对比图

观察到愈合现象后，对裂缝产生自修复的混凝土试件与细菌混凝土试件进行强度测试并进行比较，检验是否使已产生破坏的混凝土材料重新具有的一定的强度。试验结果如图所示

图7裂缝愈合前后试件抗压强度对比

4结论

本文针对微生物自愈合混凝土研究过程中存在的问题，从自愈合混凝土的愈合能力出发，以陶粒为载体固载具有矿化沉积功能的枯草芽孢杆菌，验证了陶粒作为枯草芽孢杆菌载体材料修复混凝土的可行性，研究出适用于自愈合混凝土裂缝自修复同时仍然具有抗压能力的陶粒质量比。通过抗压强度，观测分析、愈合裂缝测量对制备的微生物混凝土的自愈合效果进行分析，得到如下主要结论：

（1）陶粒具有孔隙多吸水率高价格低廉稳定性好以及与混凝土和微生物相容性好等优点，满足微生物自愈合技术中对载体材料的基本要求，可以在混凝土内部为微生物提供良好的生长和矿化反应环境，是微生物载体的良好选择

（2）采用浸泡法将微生物吸附于载体表面和内部得到含菌载体，制备的微生物自愈合水泥砂浆的抗渗性能得到明显提高，裂缝处含微生物诱导矿化生成的性质稳定的方解石型碳酸钙有良好的自治愈效果。

（3）混凝土裂缝的修复时间虽然比较长，但裂缝愈合后混凝土重新具有了抗压能力，其中1mm以内的裂缝修复时长约为26d，该研究对于混凝土构件产生破坏而人工维护困难的结构区域具有使用意义。

总而来说，微生物混凝土自愈合技术作为一种新型绿色技术，具有可持续性发展及环保方面等优点，对于推动传统建筑施工技术的创新发展具有一定的实际意义。

参考文献

1. 赵晋升张瑞荣．混凝土有害裂缝和坍塌的原因分析及 质量监控［J］．山东水利．20032：42－43

2. Jonkers H M ,Thijssen A,Muyzer G,etal. application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete[J].Ecological Eng,2010,36(2):230.

3. 侯子义.裂缝自愈合混凝土研究现状与发展趋势[J].中南公路工程,2005,30(1):165-167.

4.  DRY C,MCMILLAN W.Three-partmethylmethacrylate adhesive system as an internal delivery system for smart responsive concrete[J]. Smart materials and structures, 1998,5(3):297-300

5. Gao Zhentong,Fu Huimin,Liang Meixun.A method for fitting S-N curve [J].J Beijing Univ Aeronaut Astronaut,1987(1):115(in Chinese).

6. 《水泥胶砂强度检验方法》（GB/T 17671-1999）

7.  Zemskov S V,Jonkers H M,Vermolen F J.An analytical model for the probability characteristics of a crack hitting an encapsulated self-healing agent in concerte [J].Lecture Notes Computer Sci,2010,6244:280.

8. 徐晶，王彬彬.陶粒负载微生物的混凝土开裂自修复研究[A].上海：同济大学.2018

9. 孔丽娟．陶粒混合骨料混凝土结构与性能研究［Ｄ］．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008

10.《食品中微生物学检验 植物蛋白酶产生菌检验》（GB 4789.44-2016）

辽宁科技大学大学生创新创业项目：名称：一种自愈合混凝土强度与愈合时间的研究

          项目编号：X202310146132

作者简介：方帆，2003年5月，男，籍贯湖南岳阳，现就读于辽宁省鞍山市辽宁科技大学，本科大三在读。