微生物自修复砂浆裂缝区溶液理化特征

针对微生物自修复水泥基材料仅浅层修复的问题,探究裂缝宽度、开裂龄期和裂缝深度对裂缝区溶液理化参数的影响,解释浅层修复的原因.通过pH试纸和pH计测得裂缝区溶液的pH值,通过钙离子计和EDTA滴定测得裂缝区溶液的Ca~(2+)浓度,通过酶标仪测得裂缝区溶液的碳酸根离子浓度,从而确定裂缝区溶液理化特征.结果表明:在密闭环境下,裂缝区溶液pH值均在13.3左右;试件开裂龄期由3 d增至56 d,裂缝区溶液Ca~(2+)浓度由140 mg/L逐渐增至350 mg/L.在大气环境下,裂缝区溶液表层3 mm内pH值相对较低,沿裂缝深度方向先增加后稳定(pH值在13.2左右);裂缝区溶液Ca~(2+)浓度沿裂缝深度方向先增加后趋于稳定;裂缝区溶液CO■浓度沿裂缝深度方向先降低后稳定至1.5 g/L左右;裂缝区加入微生物后,表层CO■浓度有所增加,深度方向CO■浓度无显著提升.裂缝深处CO■浓度较低是导致裂缝区修复较浅的主要原因.由SEM和XRD可知,裂缝区矿化产物主要是方解石型碳酸钙,微生物作用下的矿化产物呈凝胶状且具有一定的黏结性.     

混凝土裂缝的微生物自修复效果

利用裂缝测宽仪、扫描电镜和热重分析技术分别对混凝土裂缝的微生物自修复效果进行了研究.研究结果表明:修复40 d后,混凝土裂缝就可以被微生物矿化形成的碳酸钙所填充,修复效果明显,最大填充宽度超过1 mm.微生物矿化形成的碳酸钙在裂缝开口处最多,且随着裂缝深度的增加碳酸钙逐渐减少,当混凝土裂缝深度超过10 mm时未发现微生物形成的碳酸钙.距离裂缝断裂面表层1.5 mm内,微生物可矿化形成较多碳酸钙.而当超过1.5 mm时,由于该微生物矿化需要氧气,因此,随着距离裂缝断裂面表层越远、距离水泥基体越近,微生物矿化形成的碳酸钙含量越来越少.     

乳酸钙掺量对基于微生物矿化沉积的混凝土裂缝自修复效果的影响

基于微生物矿化沉积的裂缝自修复技术能够有效地实现混凝土裂缝的自诊断和自修复;然而,如果混凝土中微生物矿化沉积过程中所必需的营养物质掺量不足,则可能限制其裂缝自修复效果的充分发挥。以科式芽孢杆菌为自修复剂,以膨胀珍珠岩为修复剂载体,研制出一种新型裂缝自修复混凝土。主要考察乳酸钙掺量对基于科式芽孢杆菌矿化沉积的混凝土裂缝自修复效果的影响。试验结果表明,经过修复养护28 d后,研制的自修复混凝土表现出优越的裂缝自修复能力,最大修复裂缝宽度达到0.67 mm,为普通混凝土最大裂缝修复宽度的2.23倍;并且乳酸钙掺量对混凝土裂缝自修复效果影响较大,随着乳酸钙掺量的增加,混凝土的裂缝自修复能力显现出先上升后趋于平稳的趋势,当乳酸钙掺量为胶凝材料质量分数的1.75%时,混凝土的裂缝最大修复宽度达到最大。     

微生物作用下混凝土裂缝修复效果试验研究

微生物矿化作用可以有效愈合混凝土裂缝,达到修复混凝土裂缝的目的.本文以带裂缝混凝土为研究对象,设置0.2、0.3、0.6 mm三个裂缝宽度和20、30 mm两个裂缝深度,以巴氏芽孢杆菌为菌株,通过裂缝观测、超声波测试、立方体抗压强度测试及裂缝内部微生物沉积物质的微观形貌分析,研究微生物对不同深度及宽度混凝土裂缝的修复效果.研究结果表明:巴氏芽孢杆菌可有效修复混凝土表面裂缝;氧气的供给是微生物在裂缝内部矿化的重要环境条件,随着裂缝深度的增加,巴氏芽孢杆菌的修复效果减弱;随着裂缝宽度的增大,微生物在裂缝内部的矿化效果减弱.     

基于微生物的水泥基材料裂缝自修复技术研究进展

 微生物自修复水泥基材料裂缝因具有较大的修复潜力和环境友好等特点而受到广泛关注。从微生物自修复水泥基材料裂缝发展历程、微生物诱导矿化沉淀结晶机理、微生物诱导矿化产率及影响因素、微生物的固载及固载后矿化活性的测定、裂缝制作方法及修复养护条件、修复效果表征方法、裂缝自修复效果和微生物自修复剂对水泥基材料自身性能的影响方面,综述了其研究进展,并指出了目前微生物自修复水泥基材料研究中主要存在的问题。     

微生物修复混凝土裂缝的试验观测

微生物修复技术所需的菌液流动性好,修复过程中微生物代谢物与水泥基材料有着良好的相容性和界面强度,因此,具备能耗低、绿色环保、施工简便的潜力.针对微生物修复混凝土裂缝问题,通过试验研究了环境碱度对细菌生长和微生物矿化的影响,探讨了胶结溶液的最优浓度配比和胶结时间,并将这些参数运用于后续微生物修复混凝土裂缝的试验中.试验中考虑了裂缝表观形状(裂缝深度、宽度及延伸角度)的差异,观察了碳酸钙沉淀的沉积方式,并采用X射线衍射仪(XRD)和扫描电子显微镜(SEM)手段监测其沿裂缝界面的晶体组成和形貌.结果表明:菌体自身对环境碱性突变具有自适应能力,当环境碱性并非过高时(pH≤12),菌体在生长代谢过程中能够驱使环境pH值向着最适宜菌体自身生长的pH值(约为8.7)发展;快速诱导碳酸钙沉积修复混凝土裂缝的最佳胶结液有效浓度为0.83 mol/L,最优微生物矿化间隔时间为5 h;裂缝表观形状的差异导致细菌在裂纹表面上的吸附不均匀性,其中裂缝的宽度不直接影响微生物修复的机理,而裂缝深度和裂缝倾角会影响碳酸钙沉淀的均匀性;使用注射和漫灌胶结液的方式修复具有不同表观形状的裂缝的混凝土最好的修复效果能将混凝土的渗透性降低4个数量级(从10~(-4)m/s到10~(-8)m/s).     

裂缝尺寸对微生物修复混凝土强度的影响

为研究微生物在不同宽度、深度的裂缝尺寸下对混凝土强度的修复效果,选用巴氏芽孢杆菌为裂缝修复剂,在宽度为0.75,1.0,1.25 mm及深度为15,30,45,60,75,90 mm的不同裂缝下对混凝土进行修复,通过混凝土抗压试验,测出未修复和修复的试块抗压强度.结果表明:(1)微生物在不同裂缝尺寸下的修复对混凝土强度都有提升作用;(2)裂缝深度对混凝土修复强度的影响更大;(3)在同一裂缝宽度下,修复效果出现了先上升后降低的趋势,在深度为30 mm和45 mm的时候,修复效果最佳.     

不同矿化微生物对混凝土裂缝自修复效果影响

微生物矿化沉积能够有效地实现混凝土的裂缝自修复,从而延长混凝土结构的服役时间,然而直接掺入混凝土的微生物成活率会显著降低。该文以高孔隙率的膨胀珍珠岩作为微生物载体,研制了具有裂缝自诊断和自修复能力的混凝土,考察了不同类型矿化微生物对混凝土裂缝自修复效果的影响,并对混凝土裂缝处沉淀物进行了微观结构分析。试验结果表明:科氏芽孢杆菌和筛选的好氧型、兼性厌氧型、厌氧型混菌均具有良好的矿化沉积能力,混凝土经修复养护28d后裂缝修复率分别达到73.3%、83.3%、63.3%和41.5%。微观结构分析结果表明:利用不同类型矿化微生物研制的裂缝自修复混凝土的裂缝处填充物为不同形态的碳酸钙晶体。研究结果可为基于微生物矿化的混凝土裂缝自修复性能研究提供参考。     

微生物沉积碳酸钙修复混凝土裂缝抗渗性研究

混凝土开裂引起的渗漏是困扰工程界的一大难题,利用微生物的酶化作用诱导碳酸钙沉积封堵混凝土裂缝是解决这一难题的有效途径.本试验采用正交试验的方法浇筑了9个混凝土试件,选取不同裂缝宽度、深度、缝内是否填介质和不同钙源溶液等4项影响参数.首先,采用微生物灌浆的方法对裂缝进行封堵,记录每个试件灌浆的次数;然后对修复后裂缝的抗渗承压能力进行测试.对正交试验的均值和极差分析表明:裂缝的宽度和深度是影响封堵和抗渗承压能力的关键因素.裂缝的宽度越小、缝越深,灌浆次数越少,抗渗承压能力也越高.裂缝中填充介质加速了裂缝的封堵,同时抗渗承压能力也有所提高.用氯化钙作为钙源要比其它两种钙源封堵灌浆次数略有减少,抗渗承压能力提高也有限,考虑到氯化钙对钢筋的锈蚀作用,工程中应慎用.     

裂缝尺寸对混凝土自修复效果影响的试验研究

为研究裂缝尺寸对混凝土自修复效果的影响及相关性,设计了7个裂缝宽度分别为0.5 mm,1.0 mm,1.5 mm,2.0 mm,2.5 mm,3.0 mm,3.5 mm的内置修复胶管混凝土试块的剪压试验。以胶液抗拉强度和弹性模量范围计算出胶液粘结力失效时产生的应变范围,作为构件修复失效的标准。试验结果表明:当裂缝宽度在0.9～3.5 mm之间时,由于黏结能力变差,修复效果随缝宽增加而下降,而小于0.9 mm时,随缝宽的变小,修复效果明显降低。得出缝宽在0.9 mm左右时,修复效果最高。通过数据拟合分析得出修复效果与缝宽和缝高的乘积与开裂荷载的比值的相关性较强。     

自修复混凝土中胶黏剂性能的试验研究

自修复混凝土具有优越的智能性和安全性,对其基础理论进行研究意义重大。而胶黏剂作为自修复混凝土的一种修复材料,对混凝土的自修复效果起着决定性的作用。因此为了保证修复后的混凝土裂缝不再开裂,胶黏剂必须具有良好的流动性和较高的黏结强度。以WD5319、长城717胶黏剂和环氧树脂三种胶黏剂为例,分别进行流动性与黏结强度试验;对试验数据进行分析比较后选出综合性能最佳的胶黏剂。结果表明:自制的流动性试验装置能够比较真实的反映胶黏剂在混凝土裂缝中的流动情况,即混凝土微裂缝宽度越大,胶黏剂流速越快;当其他条件一定时,流速由快到慢依次为:WD5319、长城717胶黏剂和环氧树脂;黏结界面黏附面积越大,固化龄期越长,胶黏剂黏结强度越大;且当其他条件一定时,黏结强度由高到低依次为:环氧树脂、长城717胶黏剂和WD5319。     

基于抗裂性能的高寒地区桥面板混凝土配合比优化设计

为解决高寒地区桥面板混凝土早期收缩抗裂性不足的问题,在室内模拟高寒地区桥面板工作环境并通过干缩和塑性收缩试验,研究水灰比、水泥用量和减水剂掺量对高寒环境下桥面板混凝土早期收缩阻裂性能的影响规律;采用扫描电子显微镜(SEM)测试技术对混凝土收缩裂缝的产生和演化过程进行微观剖析,从而提出基于抗裂性能的高寒地区桥面板混凝土配合比设计建议值。研究结果表明:水灰比是影响高寒地区桥面板混凝土早期收缩性能的重要因素,高水灰比有利于提高C40桥面板混凝土早期收缩抗裂性能,也利于早龄期养护水的渗入,但水灰比高于0.49时混凝土塑性抗裂性能会呈现劣化趋势;水泥用量增加会显著增大桥面板混凝土7 d内的收缩值,加速塑性裂缝的贯通,且水泥用量每增加80 kg/m~3,塑性开裂时间将提前20 min,贯通开裂时间将缩短32 min,因此水泥用量应控制在260～300 kg/m~3之间为宜;高效缓凝减水剂的掺入会细化混凝土内部初始裂缝,使其在收缩时呈现多向劣化趋势且贯通裂缝宽度也会显著增大,对有工作性能要求的桥面板混凝土,减水剂掺量应控制在0.5%～0.8%之间为宜;桥面板混凝土前5 d的收缩值占7 d总收缩值的80%以上,且在第5 d达到峰值,所以应尽可能延长养护时间至第5 d,以减少早期水化带来的收缩裂缝。     

再生黏土砖粉-水泥胶凝体系的特性

为了实现废弃黏土砖的再生利用,通过物理球磨的方法制备出再生黏土砖粉,将其作为辅助性胶凝材料来取代部分水泥制备复合水泥浆体.采用量热仪、X射线衍射仪和热重分析仪研究了黏土砖粉掺量对复合胶凝材料体系的水化热、水化产物和热重性能的影响.实验结果表明:随着黏土砖粉掺量的增加,水泥水化累积放热量不断降低,当黏土砖粉掺量为40%时胶凝体系的3 d水化累积放热量可降低35.39%.XRD测试结果证明,随着养护龄期的增长,Ca(OH)_2逐渐与黏土砖粉中活性SiO_2和Al_2O_3发生火山灰反应,在龄期180 d时Ca(OH)_2的特征峰强度损失更大.DSC-TG定量分析确定了在90 d龄期后,黏土砖粉反应消耗了更多的Ca(OH)_2,使得胶凝体系中Ca(OH)_2含量减少.     

低碱胶凝材料负载微生物应用于混凝土的开裂自修复

利用微生物诱导成矿实现混凝土的开裂自修复,面临的首要问题是对菌体进行负载保护,而载体材料是关键。该文选取了掺入质量分数20%硅灰的硫铝酸盐水泥作为低碱性胶凝负载材料,通过对胶凝材料的pH值以及凝结时间的优化,并评价负载后细菌芽孢的活性,探索出了一个有效的负载体系。混凝土开裂自修复的测试结果表明:借助该负载体系,28d可使最大约322μm宽的混凝土裂缝得以完全修复。修复后,混凝土抗压强度恢复到损伤前的84%,水密闭性恢复至未损伤时的水平。     

微生物沉积碳酸钙研究

利用菌株A生长繁殖过程中产生的酶化作用,适时引入Ca2 ,24 h内顺利沉积出直径小于10μm的球形CaCO3,经XRD分析证实为方解石晶型.改变若干环境反应条件,如pH、温度、Ca2 浓度、Ca2 源等,CaCO3结晶形态和颗粒形貌均发生不同程度的改变.此外,还利用人工提取的类似植物酶开展了对比实验,也顺利沉积出结晶较好的菱面体形态方解石,验证了碳酸盐矿化菌所具有的酶化特征乃是沉积矿化出CaCO3的关键.     

基于灰色理论预测电沉积处理后的混凝土抗碳化性能

选用ZnSO4,MgSO42种溶液,对带裂缝的砂浆试件进行了修复,测定了7d,14d,21d,28d,35d龄期试件裂缝处的碳化深度,并就采用MgSO4溶液进行电沉积处理后混凝土裂缝处的碳化深度进行了灰色预测.结果表明:带裂缝的砂浆试件经电沉积处理后,其抗碳化能力均有所提高,而且采用MgSO4溶液处理后,抗碳化能力的提高程度要高于ZnSO4溶液,GM(1,1)模型预测精度比较高,可以用于电沉积处理后混凝土抗碳化性能的灰色预测.     

临海滩涂环境下混凝土中氯离子侵蚀破坏试验研究

混凝土的材料组成、工作环境等因素对其耐久性有很大的影响。通过对不同配合比、不同保护层厚度长期暴露于临海滩涂环境的钢筋混凝土试件表面裂缝规律、钢筋锈蚀程度、力学性能等方面的试验研究,表明:直接暴露于临海环境中的钢筋锈蚀最为严重;钢筋锈蚀越明显,其强度下降趋势越显著,锈蚀率越大,延性越低;混凝土保护层的厚度、裂缝宽度跟钢筋锈蚀之间是相互影响的,保护层厚度越小,裂缝宽度越大,钢筋锈蚀率越高,当裂缝宽度为小于或等于0.2mm的细微裂缝时,钢筋锈蚀率≤2%,当裂缝宽度0.5 mm时,钢筋锈蚀率与裂缝之间可能存在线性正向关系。     

工程水泥基复合材料自愈合过程与产物

借助环境扫描电镜(ESEM)对纤维表面以及15,30,50μm不同宽度裂缝自愈合产物的生长过程进行了连续观察,结合EDS(energy dispersive spectroscopy)、TEM(transmission electron microscopy,透射电镜)、XRD(X-raydiffraction)及FTIR(fourier transform infrared spectroscopy)等先进研究手段,对工程水泥基复合材料(ECC)裂缝自愈合产物的化学特性进行了分析.结果表明,体系中水泥基材料的进一步水化及C-S-H凝胶和CaCO3晶体的生成是裂缝自愈合的主要原因.宽度15μm裂缝的自愈合产物主要为C-S-H凝胶;宽度30μm裂缝的自愈合产物主要为C-S-H凝胶和CaCO3;观察周期内,宽度50μm形成的自愈合产物量无法填满裂缝.从微观层次上看,宽度30μm以下的裂缝几乎都能完全自愈合.同时,ECC材料中的PVA(聚乙烯醇)纤维有亲水特性,为自愈合产物的形成提供了成核点,有助于ECC材料自愈合产物的形成和生长.     

超细矿渣粉对水泥水化的影响

通过X射线衍射试验,分析了超细矿渣的细度、取代量及龄期对水泥水化的影响.试验结果表明:与基准浆体相比,掺入超细矿渣粉28 d龄期水化样中Ca(OH)2晶体的衍射峰强度急剧下降,且消耗Ca(OH)2晶体的数量与水化样龄期及超细矿渣粉取代量和细度密切相关.掺P1000超细矿渣粉(比表面积实测值1 885 m2/kg)水泥水化速度非常快,3 d时二次水化反应已基本完成,从3 d到60 d Ca(OH)2的含量变化不明显;而且随着矿渣细度的增加和矿渣粉比表面积的增大,其吸收Ca(OH)2晶体的能力增强.但随着水泥水化产物中Ca(OH)2晶体数量的减少,C3S和C2S等熟料矿物水化并未加快,这与一般规律不符,还需结合其他实验手段进一步分析.     

石膏对阿利特-硫铝酸钡钙水泥水化程度及浆体组成的影响

利用前期合成的阿利特-硫铝酸钡钙水泥,应用XRD、SEM-EDS等研究了随石膏掺量的改变对新型胶凝材料阿利特-硫铝酸钡钙水泥水化程度及水化浆体组成的影响.研究结果表明:随石膏掺量增加,水化浆体的水化程度大致趋势是先增加后降低;阿利特-硫铝酸钡钙水泥最佳铝硫比为1.0/1.0,此时硬化浆体在标准稠度加水量下1d、3d和28d龄期的水化程度分别达到48.3%、57.6%和75.3%.XRD及SEM-EDS分析表明在最佳铝硫比1d、3d龄期时水化产物就已大量形成,结构致密.