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0.9mm以内的裂缝，其愈合率达到100%，最大修复宽度为1.12mm。
关键词：微生物；自愈合；剑麻纤维；力学性能；裂缝；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。
1 材料与方法
1.1 原材料
工作菌株：选用巴氏芽孢杆菌（Sporosarcina pasteuii）。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：5~20mm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
1.2 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
1.3 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1.8×108 cell/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。
式中：U—微生物的脲酶活性，mM urea/min；?C—5min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100×100×100mm，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）
1.6 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100×100×100mm的立方体试件和φ100×50mm的圆柱体试件，24h脱模，标准养护。
表4 混凝土试件配比（kg/m3）
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0.1~1.2mm。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。
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/T 50082—2009），测量电通量。按照式（2）计算混凝土氯离子迁移系数。
式中：DRCM——混凝土的非稳态氯离子迁移系数，单位精确至0.1×1012m2/s；U——所用电压的绝对值，V；T——阳极溶液的初始温度和结束温度的平均值，℃；L——试件高度（mm），单位精确至0.1mm；Xd——氯离子渗透平均值（mm），单位精确至0.1mm；t——试验持续时间，h。
1.9 渗透系数
由于渗透实验中，水流的冲刷作用会造成自愈成分流失，影响愈合效果。因此，不同龄期使用不同组试件测试。采用渗透系数表征试块裂缝修复前后的渗透性。为减少混凝土吸水带来的误差，将试块浸泡在水中1d，随即进行渗透实验，如图2所示。测试时，试块与夹板接缝处用环氧树脂封堵防止水分外渗，记录5min内通过试样的渗水量Q（单位为m3）。按式（3）计算抗渗修复率。
式中：Q0为第一天时的渗水量；Qn为各龄期自修复后的渗水量（n=3d，7d，14d，28d）。
1.10 宽度修复率
借助裂缝宽度仪测量裂缝修复前后宽度变化，采用宽度修复率系数（式4）量化裂缝自修复效果。
式中：C1为初始裂缝宽度，mm；C2为28d自修复后所测裂缝宽度，mm。
2 结果与讨论
2.1 芽孢活性检验
将5mL的2mol/L的尿素溶液与1mL的待测液混合，然后测量5min内混合液导电率变化。图3为不同测试组在高碱溶液中脲酶活性变化趋势图。从图3可以看出，直接置于高碱性溶液中的芽孢，随着浸泡时间的延长，芽孢活性迅速下降，到6d后，脲酶活性只有最初的50%。在18d时，已检测不出脲酶活性。相比之下，经剑麻纤维负载后的芽孢，在高碱性溶液28d浸泡后，其脲酶活性仍达到95.9%。这说明剑麻纤维能有效延长孢子在碱性环境中的存活时间，为后期混凝土的持续自修复提供了可能性。
2.2 确定剑麻纤维的最佳掺量
图4为不同剑麻纤维掺量混凝土28d抗压强度。由图4可知，随着剑麻纤维掺量的增加，试件的28d抗压强度逐渐增加，当纤维掺量为胶凝材料质量的0.7%时，抗压强度最大，为52.3MPa，这可能是因为剑麻纤维周围的水与纤维素的羟基构成氢键变成结合水，同时一部分水进入纤维空腔形成毛细管水，从而抑制混凝土泌水[19]，当剑麻纤维掺量为胶凝材料质量的0.7%时，这种抑制程度最大。随着纤维掺量继续增加，剑麻纤维吸水性的不利影响开始增大，导致纤维周围的水泥水化所需水不足，反而影响混凝土强度的发展[20]。再者，剑麻纤维在搅拌过程中易聚团，削弱了基体粘接，这两方面原因使剑麻纤维在混凝土内部引发的缺陷增多，最终导致整体强度下降。
一般认为，微生物负载量越大，发生矿化的几率越高，在保证混凝土达到一定的抗压强度的前提下，结合实验1.4的测试结果，可认为剑麻纤维最佳掺量为胶凝材料质量的0.7%。
2.3 力学性能
图5a为不同混凝土的劈裂抗拉强度随时间变化过程，从图中可以看出，在整个测试阶段，剑麻纤维负载微生物混凝土劈裂抗拉强度明显高于NC、AEC两组，其中28d劈裂抗拉强度为5.26MPa，较普通混凝土提高了15.3%。这是由于纤维桥联阻裂作用，当裂缝扩展时，裂缝两端的纤维会增加拉力，阻碍裂缝进一步变形扩张。图5b为不同混凝土抗压强度随时间变化过程，从图中可以看出，相较于其他对照组，剑麻纤维的掺入能够对混凝土抗压强度产生一定的增强作用，其中，28d抗压强度比NC组提高25.1%。综上说明剑麻纤维作为负载体与基体相容较好，能有效提高既有混凝土的力学性能。
2.4 氯离子渗透
实验结果显示（图6），剑麻纤维负载微生混凝土（FEC）氯离子迁移系数最大，为6.09×1012m2/s，较普通混凝土（NC）增加了23.68%。值得注意的是，掺入菌体与营养物质的AEC组氯离子迁移系数最低。实验结果表明，菌体及营养物质的掺入一定程度上能提高混凝土抗氯离子的渗透性，但剑麻纤维的掺入反而使混凝土抗氯离子渗透性降低。
2.5 抗渗修复率
图7为不同试件抗渗效果。可以看出，经过28d的自修复，试件的抗渗修复率均有提高。值得注意的是，对照组NC在不同固化期的抗渗修复率增长幅度很小，仅为4.2%。这主要是由于裂缝处的水泥的二次水化生成的碳酸钙对裂缝进行了一定程度的填补，但水泥二次水化起到的自愈合作用效果并不明显。而AEC试件的抗渗修复率随着养护时间的延长，抗渗修复速率逐渐减缓，28d时抗渗修复率只达到48.3%。相比之下，养护时间对剑麻负载微生物FEC的负面影响较小，28d时裂缝抗渗修复率达到94.7%。可见，剑麻纤维负载微生物作为裂缝自愈合材料能明显改善裂缝处的抗渗性能。
2.6 裂缝宽度修复率
图8为掺入不同混凝土试块修复前后表面裂缝对比图。经过28d的自修复，空白对照组NC的裂缝宽度基本没有变化，而掺入菌体与营养物质的AEC组可以观察到间断分布的白色填充物；相比之下，剑麻纤维负载微生物FEC组，修复效果较为显著，其裂缝几乎被白色物质完全填充。图9比较了三种混凝土在不同裂缝宽度下的修复能力，从裂缝的修复率可以看出，裂缝的自愈合效果随裂缝宽度变化而有明显差异。经过28d修复后，NC组仅有0.14mm以内的裂缝能完全愈合。而对于剑麻纤维负载微生物混凝土裂缝FEC组，0.9mm以内的裂缝实现完全愈合，其中最大修复宽度达到1.12mm，与直接掺入菌体的AEC组最大裂缝修复宽度0.51mm相比，最大裂缝修复宽度提高了约1.20倍。上述实验表明采用剑麻纤维负载微生物能有效提高混凝土裂缝自愈合效果。
2.7 微观结构分析
图10为剑麻纤维负载微生物混凝土裂缝处矿化沉淀微观结构，从图中可以看出，在裂缝处的剑麻纤维周围分布着大量白色块状的沉淀物；不同沉淀物之间通过纤维相互拉结，形成蛛网结构，并与基体锚固，增加了混凝土的粘结力。图11为相同样品经XRD衍射的分析图，图谱衍射峰表明生成物的主要成分为方解石、球霰石和文石，证实了碳酸钙的存在。
3 结论
本文在研究剑麻纤维掺量对混凝土力学性能的影响及在高碱环境中芽孢存活时间基础上，主要探讨了剑麻纤维负载微生物混凝土的力学性能和自愈合能力。通过研究得到如下结论：
（1）采用导电率变化评价负载后微生物芽孢在碱性环境下的活性，发现浸泡28d后，经负载后的芽孢的脲酶活性仍达到95.9%；
（2）通过对比剑麻纤维不同掺量对混凝土抗压强度的影响，发现当剑麻纤维掺量为0.7%时，混凝土抗压强度最大。为提高微生物负载量，剑麻纤维掺量确定为胶凝材料质量的0.7%；
（3）剑麻纤维作为微生物负载材料掺入混凝土中，混凝土的力学性能相较于普通混凝土强度显著提高。其中，劈裂抗拉强度提高15.3%，抗压强度提高25.1%。混凝土裂缝经28d自修复，抗渗修复率达到94.7%；宽度小于0.9mm的混凝土裂缝可完全愈合，最大修复宽度为1.12mm。
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