剑麻纤维负载微生物在混凝土裂缝自愈合中的应用_彭海鑫.pdf

37材料与技术Material&Technology2023NO.03基金项目：重庆市教育科学技术研究计划(JZD-2021101201)。引文检索：彭海鑫，王华松，郭远臣.剑麻纤维负载微生物在混凝土裂缝自愈合中的应用 J.重庆建筑，2023（3）：37-41.剑麻纤维负载微生物在混凝土裂缝自愈合中的应用彭海鑫，王华松，郭远臣（重庆三峡学院土木工程学院，重庆404100）摘要：利用微生物诱导碳酸盐沉淀以实现混凝土微裂缝的自愈合成为近年来的研究热点，研究发现，适宜的载体对自愈合的效果有着决定性的作用。该文选用剑麻纤维作为载体，制备一种带有微生物生物膜的剑麻纤维混凝土裂缝自愈合混凝土，在研究负载微生物后芽孢在高碱性环境中活性以及优化剑麻纤维掺量的基础上，评价其自愈合能力与材料的力学性能。结果表明：负载在剑麻纤维中的芽孢，经高碱溶液长时间处理后，脲酶活性仍达到 95.9%；剑麻纤维掺量为胶凝材料质量的 0.7%时为最优掺量；采用剑麻纤维作为微生物负载材料的混凝土修复效果和力学性能均优于对照组，其中，劈裂抗拉强度和抗压强度较普通混凝土分别提高 15.3%、25.1%，抗渗修复率达到 94.7%，初始裂缝宽度 0.9 mm 以内的裂缝，其愈合率达到 100%，最大修复宽度为 1.12 mm。关键词：微生物；自愈合；剑麻纤维；力学性能；裂缝；混凝土中图分类号：TU502 文献标识码：A 文章编号：1671-9107（2023）03-0037-05收稿日期：2022-07-05作者简介：彭海鑫（1994），男，重庆人，硕士，主要研究方向为微生物混凝土材料，邮箱：。ApplicationofSisalFiberwithaMicrobialLoadinConcreteCracksSelf-healingPengHaixin,WangHuasong,GuoYuanchenAbstract:Theuseofmicroorganismstoinducecarbonateprecipitationtoachievetheself-healingofconcretemicro-crackshasbecomearesearchhotspotinrecentyears.Studieshavefoundthatsuitablecarriersplayadecisiveroleintheself-healingprocess.Takingsisalfiberasacarrier,thispapermadeacrackself-healingconcretewithamicrobialbiofilmfromsisalfiberand,basedonastudyoftheactivityofpostspore,aloadedmicroorganism,inthehighalkalineenvironmentandtheoptimizationofthesisalfibercontent,evaluatesitsself-healingabilityandthemechanicalpropertiesofthematerial.Theresultsindicatethatthesporeloadedinsisalfiberhastheureaseactivityof95.9%afterlongimmersioninhighalkalinity;Theoptimummixingamountofsisalfiberis0.7%oftheweightofcementingmaterials.Theconcreteusingsisalfiberasthemicroorganismloadingmaterialshowsbettermechanicalpropertiesandself-healingperformancethanthecontrolgroup.Specifically,thesplittingtensilestrengthandcompressivestrengthoftheconcretecomparedwithcommonconcretehasincreasedby15.3%and25.1%,respectively,theanti-seepagerepairingratehasreached94.7%,andthehealingrateofcrackswiththeinitialwidthofwithin0.9mmhasreached100%,andthemaximumrepairwidthis1.12mm.Keywords:microorganism;self-healing;sisalfiber;mechanicalproperty;crack;concrete0 引言混凝土因成本低、可塑性好、耐久性好等原因成为目前建筑材料中用量最大的一种，然而混凝土因其固有的脆性和低韧性极易在早期出现裂缝缺陷而造成开裂1，为氧气、水分、氯离子的侵入提供了通道，加速了混凝土结构破坏2-5。传统的混凝土结构开裂的处理方法有灌浆法和表面处理法，但这些方法往往属于事后补救且须消耗大量的人力、物力6。微生物自愈合混凝土能够持久、快速、自主修复裂缝，被认为是目前最具潜力的修复方式之一7。微生物添加于混凝土拌合物中，当混凝土成型受力开裂时，水、二氧化碳和其他化学物质（SO42-和 NO3-）渗入混凝土裂缝促进菌体诱导形成矿化物质，进而实现裂缝自愈合并改善混凝土结构的物理和力学性能8-9。然而，混凝土高碱性和低孔隙率限制了微生物的生长。Johers 等10将孢子直接掺入混凝土中，研究发现，随着水泥水化的进行，混凝土内部空隙孔径不断减小，内部 pH 值通常在 13 以上，在此条件下 90d时微生物存活率不到 10%。因此，为提高微生物的存活率，降低混凝土周围不利环境对微生物的影响，需要选择合适的载体对微生物进行保护。近年来，很多学者在载体的选择上做了大量研究工作。Zhang等11采用硫铝酸盐水泥作为负载体，研究结果表明，微生物修复期延长至122d 以上。Khaliq 等12-13采用膨胀珍珠岩作为负载中介，发现负载后修复效果明显。高毛毛14选用橡胶颗粒作为巴氏芽孢杆菌的载体，经自修复 28d 后，最大修复宽度达到 0.86mm。Wang 等15-17采用聚氨酯、硅胶、硅藻土、水凝胶作为微生物载体，发现开裂试件经自修复后力学性能、抗渗透系数均有不同程度提高。植物纤维因其拉伸强度高，抗酸碱腐蚀、耐磨性好等特点被广泛应用于混凝土中，近年来针对植物纤维力学性能、裂缝阻裂和抗干收缩的研究较多，但关于植物纤维作为微生物载体的研究较少。本文选用剑麻纤维作为载体，研制一种带有微生物生物膜的剑麻纤维混凝土裂缝自愈合混凝土，并研究其自修复效果，以期为基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复技术推广提供参考。doi：10.3969/j.issn.1671-9107.2023.03.37Chongqing Architecture38第 22 卷 总第 233 期1 材料与方法1.1原材料工作菌株：选用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcinapasteuii）。剑麻纤维：选用广西剑麻纤维公司的剑麻纤维，其基本物理指标见表 1。水泥：采用重庆万州西南科华水泥公司生产的 42.5 级普通硅酸盐水泥。细骨料：普通河砂（细度模数 2.1）。粉煤灰：选用重庆天耀建材公司生产的高钙粉煤灰。粗骨料：520mm连续集配的碎石。减水剂：聚羟酸型减水剂。表 1 剑麻纤维力学性能参数纤维直径/um抗拉强度/MPa断裂伸长率/%抗拉弹性模量/GPa密度/g/cm3203482.4315.681.31.2微生物的选用及培养使用芽孢杆菌培养基（表2）培养。培养基灭菌后接种菌株，然后在30、120r/min的摇床中进行振荡培养。细菌培育2d后，在离心机上离心 10min，经无菌生理盐水反复洗涤后获得浓缩菌液，并在水浴中（80）加热 20min 去除营养细胞以确保营养细胞均转化为芽孢，然后储存在 4的冰箱中待用。表 2 巴氏芽孢杆菌培养基尿素/g酪蛋白胨/g大豆酪蛋白/gNaCl/g蒸馏水/L20155511.3剑麻纤维负载微生物材料的制备将剑麻纤维在超声波清洗仪中清洗 50min 以除去杂质，后转移至烘箱中干燥，1d 后取出备用。将浓缩菌液用质量分数为 0.9%的生理盐水稀释至浓度为1.8108cell/mL。将 100g剑麻纤维浸入 500mL 稀释后的菌液中，采用真空吸附法，在 0.9MPa 的负压下吸附 30min。然后将负载后剑麻纤维置于40的烘箱中烘干，重复数次浸烘循环，直至菌液吸干。为防止微生物在搅拌过程中流失，对剑麻纤维表面进行包裹处理，具体过程为：用一定体积比（水玻璃：水=8:2）的水玻璃稀释液对已完成负载的剑麻进行均匀喷洒，自然养护 1d 后，40烘干至恒重，待用。1.4微生物活性检验为检验负载后的芽孢在高碱性环境下的活性，采用文献18的研究方法，测量尿素溶液导电率的变化率，将导电率的变化率转化为脲酶活性（式 1）。称取已负载完成的剑麻纤维 1g/份，共计 14 份；按实验 1.4 的方法配置 5mL/份的菌液稀释液。对新制拌的普通硅酸盐水泥浆离心提取碱性溶液，随后将负载体、菌液稀释液浸泡在制备的 20mL 碱性溶液中，以模拟混凝土内部碱性环境对微生物活性的影响。每隔两天进行活性检测。11.1110CUt=（1）式中：U微生物的脲酶活性，mM urea/min；C5min的溶液电导率变化量，ms；t检测时间，5min。1.5优化纤维掺量选用长度为 16mm 的剑麻纤维，通过混凝土力学性能试验确定剑麻纤维的最佳掺量。混凝土具体配比如表 3 所示，其中剑麻纤维掺量分别为胶凝材料质量的 0%、0.1%、0.4%、0.7%、1%。成型试件尺寸为 100100100mm，标准养护至 28d 后，分别测试试件抗压强度，确定剑麻纤维在试件中的最佳掺量。表 3 混凝土试件配比（kg/m3）标号水水泥粉煤灰石子砂减水剂剑麻A116228012011157116.50A216228012011157116.50.4A316228012011157116.51.6A416228012011157116.52.8A516228012011157116.541.6自愈合混凝土试件制备为对比不同自愈剂的愈合效果，设计了 3 组不同配比混凝土，剑麻纤维掺量选择 2.1 节中的最佳掺量，混凝土配比见表 4。采用 100100100mm的立方体试件和 10050mm 的圆柱体试件，24h 脱模，标准养护。表 4 混凝土试件配比（kg/m3）标号水水泥 粉煤灰 石子砂减水剂 硝酸钙 尿素 自愈剂NC16228012011157116.500FEC16228012011157116.531.27.82.8AEC14828012011157116.531.27.814注：NC 代表普通混凝土；FEC 代表掺入纤维负载微生物自愈合混凝土；AEC 代表具有微生物溶液愈合剂的自愈合混凝土，其中微生物溶液掺量为剑麻纤维掺量的 5 倍（参照实验 1.3）且等质量取代水。1.7预制裂缝及养护方法将养护至7d的圆柱试件晾干，在圆柱体试件侧面缠绕胶带，防止加载过程时试块裂缝扩大。在万能压力机上以 0.01mm/s 的加速度对试块进行加载，听到破裂声时停止加载，见图 1。由于受到两侧胶带的约束作用，试件裂缝宽度范围为 0.11.2mm。将预制完的试件放置到温度为 25，完全浸没在水中养护修复。图 1 预制裂缝1.8氯离子渗透圆柱体试件标准养护 28d 后，取出试件，对试件打磨和清洁处理。把试件浸入氢氧化钠溶液中，进行真空处理。经真空处理后的试件安装在实验槽内并密封，根据普通混凝土长期性能和耐久性能试验方法标准（GB/T500822009），测量电通量。按照式（2）计算混凝土氯离子迁移系数。39材料与技术Material&Technology2023NO.03()0.