基于膨胀珍珠岩固载微生物的混凝土裂缝抗渗水性能及自修复机理分析

发布时间：2020-06-16 11:13

【摘要】：混凝土具有抗压强度高、价格相对低廉等优势,使其广泛应用于建筑行业。然而混凝土固有的抗拉强度低,易开裂等缺点,会使混凝土结构产生细微损伤,损伤部位裂缝的进一步发展延伸可能会发展成为宏观裂缝,进而为侵蚀性物质提供传递通道,对混凝土内部结构进行侵蚀、破坏,影响混凝土结构的耐久性。鉴于传统混凝土裂缝自修复技术存在的弊端,新型裂缝自修复技术的发展显得尤为重要。基于上述情况,有关混凝土裂缝自修复技术的研究逐渐引起了学者的关注。基于微生物矿化沉积的混凝土裂缝自修复技术是在混凝土内部加入由矿化微生物与营养物质组成的裂缝自修复机制,当裂缝产生时,裂缝自修复机制启动,实现对混凝土裂缝的自诊断与自修复,提高混凝土结构的耐久性。而受混凝土内部高碱环境以及养护过程中混凝土内部孔隙减小等原因影响,微生物直接掺入混凝土后,其活性将明显降低。因此,将微生物固载于多孔材料中,然后掺入混凝土是一种有效的微生物掺入方式。而受载体材质、性能等因素影响,已有研究中选用的载体存在一定的缺点。本文以课题组前期对膨胀珍珠岩的研究为基础,首次采用膨胀珍珠岩作为微生物载体固载微生物,制备出一种具有裂缝自修复性能的混凝土并对其裂缝抗渗水性能及裂缝自修复机理进行了试验分析,主要工作及结论如下:(1)对所采用的微生物进行矿化沉积性能试验,验证了利用试验所述微生物制备微生物裂缝自修复混凝土的可行性,然后以多孔材料膨胀珍珠岩为载体,固载具有矿化沉积功能的Bacteria.H1与自行从土壤、污泥中筛选的不同种类耐碱菌群,并对载菌膨胀珍珠岩进行外包裹处理,制备出裂缝自修复剂颗粒,并对颗粒的筒压强度、吸水率等物理性能进行研究。试验分析表明,经外包处理的裂缝自修复剂颗粒筒压强度提高至452.2KPa,是普通珍珠岩筒压强度2.96倍,1h吸水率可降低至40%,可为微生物生存、避免自修复剂流失提供更好的保障。(2)考虑不同因素对裂缝自修复混凝土裂缝修复性能的影响,以微生物掺入方式、微生物类型以及营养物质(乳酸钙)掺量3个因素为变量,采用裂缝宽度持续观测的方式,研究了上述3因素对裂缝自修复混凝土裂缝修复性能的影响。试验结果表明:营养物质是微生物裂缝自修复混凝土中的必要组成部分,而膨胀珍珠岩的高孔隙率使得其在真空吸附作用下能够携带更多的微生物,并为微生物提供较好的保护,因而表现出更优的裂缝修复效果。当采用不同微生物作为矿化微生物时,裂缝自修复混凝土试件均表现出优异的裂缝修复能力,但相比之下以Bacteria.H1与好氧混菌为矿化微生物时,裂缝修复效率更高。(3)在裂缝自修复混凝土裂缝修复性能表观分析的基础上,采用自行设计的渗水装置对开裂的混凝土试件裂缝处的渗水性能进行试验分析,进一步验证了裂缝自修复混凝土的裂缝修复能力。试验结果表明,掺有裂缝自修复剂颗粒的微生物裂缝自修复混凝土试件裂缝处渗水系数随着修复养护时间的增加而降低,当修复养护28d后,其裂缝抗渗性能得到有效提升,试件渗水系数可达到零。(4)在宏观分析的基础上,为了进一步了解微生物矿化沉积过程,采用扫描电镜对试验过程中的多阶段进行微观分析,并结合X射线衍射分析试验方法对裂缝自修复混凝土裂缝处经修复养护形成的矿物沉淀进行物相分析。试验结果进一步验证了膨胀珍珠岩作为微生物载体的可行性,且经微生物作用产生的矿物沉淀虽形态不同,但均含性质稳定的方解石形碳酸钙晶体。
【学位授予单位】：太原理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU528
【图文】：

示意图,混凝土结构,示意图

混凝土内部或表面难以避免产生微裂缝或局部缺陷，如图1-1 所示，图中的渗水处即为混凝土的开裂区域。研究表明[1-3]，混凝土的破坏是其内部微裂缝逐渐形成和发展的结果，裂缝的产生为水分及侵蚀性离子在混凝土内部的扩散提供了通道，侵蚀性离子不仅会降低混凝土的耐久性能，而且会破坏混凝土内部的碱性环境，导致钢筋发生腐蚀，从而降低钢筋混凝土构件的承载能力，甚至造成灾难性事故和人员伤亡，钢筋的侵蚀过程如图 1-2 所示。图 1-1 混凝土结构开裂示意图图 1-2 混凝土内部侵蚀示意图Fig.1-1 Cracking of concrete structure Fig.1-2 Internal erosion of concrete1.1.2 传统的混凝土裂缝修复方式在混凝土结构的设计使用年限内，为满足结构的使用功能以及保证结构具备足够的力学性能和耐久性能，需及时对结构进行检测和修复。此外，胶凝材料生产过程中产生的二氧化碳大概占到全球二氧化碳排放量的7%[4]，因此，延长混凝土结构的耐久性，对于环境保护同样有积极作用。目前，对于服役工程中混凝土裂缝的修复仍是一个困扰建

示意图,内部侵蚀,混凝土,示意图

1.1 选题背景1.1.1 混凝土结构裂缝的产生与危害混凝土因其具有抗压强度高、耐久性好、成本低等优点，被广泛应用于建筑工程领域。在我国，随着城镇化建设的进一步推进，混凝土材料仍将被广泛使用。然而在混凝土结构的施工和服役过程中，受温湿度变化、塑性变形、干缩、外部荷载、钢筋锈蚀、多因素耦合等因素的影响，混凝土内部或表面难以避免产生微裂缝或局部缺陷，如图1-1 所示，图中的渗水处即为混凝土的开裂区域。研究表明[1-3]，混凝土的破坏是其内部微裂缝逐渐形成和发展的结果，裂缝的产生为水分及侵蚀性离子在混凝土内部的扩散提供了通道，侵蚀性离子不仅会降低混凝土的耐久性能，而且会破坏混凝土内部的碱性环境，导致钢筋发生腐蚀，从而降低钢筋混凝土构件的承载能力，甚至造成灾难性事故和人员伤亡，钢筋的侵蚀过程如图 1-2 所示。

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