Cement Concr. Compos.：海洋环境中持续拉伸载荷下细菌基砂浆的裂缝修复性能

文献精读

Cement Concr. Compos.：海洋环境中持续拉伸载荷下细菌基砂浆的裂缝修复性能

背景介绍

混凝土结构在海洋环境中面临的外部条件一般分为三种：大气、潮汐、水下。其中，在潮汐条件下混凝土所受危害更大。这主要是因为干湿循环会增加混凝土孔隙中的盐浓度，从而提高氯离子的渗透率。此外，混凝土结构还会受到硫酸盐侵蚀、氯化物的化学作用等劣化作用。裂缝的存在提高了混凝土的渗透性，从而降低混凝土的耐久性。对于混凝土而言，可通过自修复机制（持续水化作用、生成碳酸钙晶体、水化产物的膨胀）修复裂缝，但效果较差。基于此，该研究引入了细菌基混凝土。

研究出发点

细菌基混凝土的自修复能力取决于裂缝宽度。由于持续荷载作用下的徐变，裂缝宽度会随时间进一步增加。前期对持续荷载下的混凝土自修复的研究是在淡水环境下进行。目前，尚未有人研究持续荷载作用下细菌基砂浆的性能。因此，本文将研究潮汐海洋环境下的浸水细菌基砂浆在持续荷载下的修复性能。

全文速览

澳大利亚-悉尼大学--Luming Shen课题组在水下淡水、水下海洋和潮汐条件下，研究了细菌基砂浆（含有嗜盐杆菌、乳酸钙和膨胀珍珠岩骨料）在90%开裂荷载下的持续轴向拉伸载荷下的修复性能。结果表明，与未加载细菌试样相比，加载细菌试样的修复率降低了20%-30%。在潮汐条件下，当负载水平从90%降低到60%时，细菌试样的修复率增加了5%。与对照试样相比，细菌试样在水下条件下持续荷载下的修复率提高了14%。然而，细菌对在潮汐条件下持续荷载的试样的修复没有明显影响。潮汐条件下的试样比浸没在海洋条件下的试样修复程度低14%-25%。相关论文以“Crack healing performance of bacteria-based mortar under sustained tensile loading in marine environment”为题，于2021年发表在《Cement and Concrete Composites》上。

图文解析

（1）试样及裂缝宽度的基本情况

表1 根据试样类型、负荷水平和暴露条件对试样进行分类和标记

图1 每个裂纹宽度范围内裂纹段数的分布

从表1可以看出试样类型、符合水平及暴露条件。其中，NU指有营养的对照试样；BA指含有细菌和营养物质的试样；FW指水下淡水条件；MW指水下海水条件（在淡水中加入3.5%的海盐合成海水，获得和海水相近的盐度）；TR指潮汐条件（在海水中进行12小时的湿/干循环）；90指试样在开裂荷载的90%处加载；75指试件按开裂荷载的75%加载；60指试件荷载为开裂荷载的60%。

该研究侧重于分析范围内所有裂纹段的统计分析，而不是单个裂纹的行为。从图1可知，所有试样的裂缝宽度范围内裂纹段数的分布，将裂缝分析范围限制在0.096 mm到0.864 mm之间。

（2）裂缝修复效果

图2 不同暴露条件下相对裂纹修复的发展

图3 在δt = 120 d，裂纹完全修复的相对裂纹段数

图4 MW和TR暴露90 d下卸载和加载试件相对裂纹修复的发展

图5 在水下海洋条件下，未加载试样的修复情况

图6 在水下海洋条件下，有加载试样的修复情况：（a）MW-NU-90；（b）MW-BA-90

图7 在水下海洋条件下，有加载试样的修复情况：（a）MW-NU-90；（b）MW-BA-90

图8 试样裂纹中修复产物随时间降解和去除的代表性案例：（a）MW-NU-90；（b）TR-BA-90

FW、MW和TR条件下试样的修复程度如图2所示。除了FW-NU-90外，所有标本在暴露28天时的整体修复效果都比暴露14天有所下降。修复效果的降低归因于徐变，徐变导致裂缝进一步扩大。由于细菌的嗜盐性，FW-NU-90和FW-BA-90的修复性能随着时间的推移没有差异。在MW条件下，BA标本比NU标本表现出更好的修复，这是由于在富含氯离子的海洋环境中细菌孢子的激活。这些细菌根据代谢反应将乳酸钙转化为碳酸钙，并生成二氧化碳与氢氧化钙反应产生碳酸钙，在海洋环境中的碳酸钙以文石的形式沉积。

从图2可以看出，在TR条件下，细菌的加入对加载90%开裂荷载的试样的整体裂纹修复没有明显的改善。在TR条件下，修复性化合物会由于湿/干循环而恶化，并且由于徐变下裂纹的扩大，导致这种情况进一步严重。与TR-BA-90试件相比，由于徐变对载荷水平的依赖，TR-BA-60和TR-BA-75试件能够表现出更高的修复，因此裂缝扩大较小。然而，与加载90%开裂荷载的试样相比，较少持续加载（开裂荷载的60%）的BA试样只能显示出5%以上的修复。这表明暴露于TR的BA试样的修复受到持续加载引起的裂纹扩展的负面影响。

图3显示了每个试样随时间完全修复的裂纹段的相对数量。与NU相比，细菌的存在提高了BA试样修复更宽裂缝的能力。在MW条件下，裂纹宽度大于0.5 mm时，差异更为显著。同样，在TR条件下，BA试样对宽度大于0.65 mm的裂纹的修复能力略有提高，能够完全修复10%的0.864 mm的裂纹，而NU试样的修复率为1.5%。BA标本在不同暴露条件下的比较也有显著差异。MW-BA-90对0.864 mm宽裂纹段的修复率为34%，而TR-BA-90对宽裂纹段的修复率为10%。在高温条件下，干湿循环和裂纹扩大的共同作用对BA试件完全修复较宽裂纹的能力产生了负面影响。

从图4可以看出，尽管有类似的细菌、载体化合物和营养物质前体，但与那些未加载的试样相比，基于细菌的试样在持续加载下的性能明显下降。MW-BA-90和TR-BA-90在暴露90天后分别显示了44%和20%的整体修复。然而，未加载的MW-BA和TR-BA试样显示出明显较高的修复率，分别为64%和50%。即使在指定条件下暴露120天后（见图2），加载的试样在90天后也无法达到与非加载试样类似的整体修复。

图5显示了未加载试样中修复的代表性案例，对比加载试样（图6）和非加载试样（图5）中修复的裂缝，可以看出非加载试样能够修复更长的裂缝长度，细菌试样甚至在裂缝外也显示出明显的修复产物沉积。

修复过程不会在整个裂缝长度上同时进行，而是从一些特定的点开始的，这些点有利于营养物质前体和微生物的粘附（如果是基于细菌的试样）。由此产生的修复产物也附着在这些点上。这些初步修复的位置被称为“修复点”。在这些修复点的裂缝完全修复后，修复过程沿着裂缝长度继续进行，导致更长的裂缝长度闭合。图7显示了类似过程的代表性案例，即从一个点开始修复，并沿裂缝长度增加。

对于承受持续荷载的试样，发现裂缝宽度随时间的增加会使已经在裂缝中的修复化合物降解，从而破坏修复过程。图8展示了修复化合物降解的代表性案例。裂缝扩大导致的修复化合物的降解抑制了沿裂缝长度的修复，并阻碍了在裂缝外表面形成密集的修复化合物层。

（3）修复产物

图9 （a）MW-NU-90和（b）MW-BA-90的X射线衍射图谱显示了修复产物文石（A）和水镁石（B）

图10 裂缝中修复产物的微观结构分析：（a）MW-NU-90试样中修复产物的SEM图像；（b）MW-BA-90试样中修复产物的SEM图像；（c）MW-NU-90样品EDX分析；（d）MW-BA-90样品的EDX分析

从MW-NU-90和MW-BA-90试样的裂缝中提取的修复产物的XRD分析表明存在文石和水镁石。还进行了定量XRD分析，通过确定文石与水镁石的比率（A/B比率）来阐明细菌在修复过程中的作用。MW-NU-90试样的A/B为1.82，而MW-BA-90标本的A/B为4.15，证实了细菌在修复过程中的作用。比率的差异是由于细菌作用形成文石，由于文石与水镁石相比具有更高的硬度，因此由于细菌作用而需要更高的A/B比率。

图10显示了在MW条件下试样裂纹中形成的修复产物的SEM图像和EDX分析。在扫描电子显微镜（SEM）下检查裂纹表面时观察到针状晶体的显着沉积，而盒中区域的EDX分析证实晶体由氧、钙和氧组成。基于使用EDX的形态学和元素映射，晶体被鉴定为文石。

总结

本研究首次评估了细菌基砂浆在暴露于水下淡水、水下海洋和潮汐条件下的持续荷载下的性能。根据结果，得出以下结论：

（1）观察到修复是依赖于应力的，因为与未加载的试样相比，细菌基试样的修复最多可减少30%。在持续荷载下，裂缝宽度的增加导致了已经在裂缝中形成的修复化合物的恶化，并阻碍了沿裂缝长度的修复产物的形成。

（2）加入细菌后，试样在水下海洋环境中的持续荷载下的裂缝修复性能得到了显著改善。修复的改善是由于细菌在乳酸钙的代谢转化过程中产生了额外的碳酸钙。基于细菌的砂浆试样也能够完全修复34%的0.84 mm宽的裂缝。

（3）潮汐条件被认为是关键的暴露条件，因为它们导致了持续加载下的试样的最小整体修复。与对照组相比，细菌基砂浆在修复方面没有明显改善。在TR条件下，由于干湿循环和裂缝宽度增加的综合影响，试样受到了持续荷载的负面影响。在TR条件下，将细菌基砂浆的加载水平从90%降低到60%，与细菌基砂浆和对照砂浆相比，其修复程度分别提高了5%和8%。

本期编者简介

翻译：

陈    仓             博士生         深圳大学

审核：

耿松源             博士生         深圳大学

排版：

舒雨清             硕士生         深圳大学

本期学术指导

何    闯          博士后  深圳大学

龙武剑          教    授  深圳大学

文献链接：

/10.1016/j.cemconcomp.2021.104055