微生物水泥凈漿微觀結構性能探討范文

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《混凝土雜志》2015年第十一期

微生物誘導碳酸鹽沉積(MICP)是微生物在有易形成礦物沉淀的陽離子存在的條件下，通過新陳代謝過程，發生礦化作用，形成碳酸鹽沉淀。MICP在自然界中有多種形成途徑:硫酸鹽還原菌的反硫化過程、氨基酸代謝、還原硝酸鹽、有機酸脫羧反應以及尿素水解等。其中，尿素水解易于控制，生成碳酸鹽沉淀的效率最高［1－2］。研究表明，MICP技術可應用于改善水泥基材料的亞微觀結構，提高其物理力學性能。然而目前的研究主要集中在單一Ca2+存在條件下微生物誘導碳酸鈣沉積，鮮有關于其他陽離子的報道。因此本試驗選取了一種易形成礦物沉淀的典型陽離子———Mg2+，采用X射線衍射(XRD)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析(EDS)、壓汞測孔法(MIP)等亞微觀測試手段，研究了鎂鹽對微生物水泥凈漿微觀結構性能的影響。

1試驗過程

1．1微生物與培養基試驗采用高尿素酶活性、無致病性的球形芽孢桿菌。液體培養基成分:12gL蛋白胨、3．6gL牛肉膏、6gLNaCl。將球形芽孢桿菌置于經120℃高壓滅菌的液體培養基中(pH值7．3)，在30℃搖床上，以200rpm的速率振蕩培養36h，獲得原種菌液(pH值8．5)，菌液濃度108個細胞L。

1．2負載微生物為保護微生物免受水泥基材料高堿環境的影響，采用硅藻土(DE)負載菌液［7］，負載比為1g硅藻土∶5mL原種菌液。將混合物置于30℃搖床上，以100rpm的速率振蕩1h，得到硅藻土負載菌液。

1．3水泥凈漿試件的制備與微觀測試分析采用42．5普通硅酸鹽水泥(OPC)，制備水泥凈漿試件(40mm×40mm×40mm)，配合比如表1所示。試件標準養護1d后拆模，浸泡于營養液中28d，浸泡條件及營養液成分如表2所示。然后取出試件，刮取礦物粉末，采用X射線衍射方法(XRD)，進行成分分析。采用掃描電子顯微鏡(SEM)、能譜儀(EDS)及壓汞儀(MIP)，測試水泥凈漿試件的微觀形貌、元素組成和孔結構特征。

2試驗結果及分析

2．1XRD分析圖1所示為礦化產物粉末的XRD分析圖譜。由圖可見，當營養液中無鎂鹽時，方解石衍射峰較強，球霰石衍射峰較弱;當營養液中含0．5gL的鎂鹽時，具有明顯的方解石衍射峰和菱鎂礦衍射峰。這表明當營養液中無鎂鹽時，微生物礦化產物以方解石為主，并含少量球霰石;而鎂鹽的摻入使礦化沉淀中除方解石型碳酸鈣外，還形成額外的菱鎂礦型碳酸鎂，從而促進了水泥凈漿中微生物的礦化作用。

2．2SEM與EDS分析圖2、3所示為水泥凈漿試件的SEM、EDS分析圖。由圖可見，當營養液中無鎂鹽時，微觀結構中存在大量顆粒狀、團簇狀礦物覆蓋于水泥石基面;EDS分析確定了CaCO3的存在。當營養液中額外摻入0．5gL鎂鹽時，微觀結構中出現大量針棒狀礦物覆蓋于水泥石基面，EDS分析確定了CaCO3和MgCO3的存在。結合XRD分析結果，可以看出當無機鹽為鈣鹽時，微生物礦化產物以方解石型碳酸鈣為主，并含少量球霰石，這些碳酸鈣沉淀依附于孔隙、裂縫內壁，并沿水泥石基面定向排列生長，使得微結構更加致密。適量鎂鹽的摻入使礦化沉淀中除方解石型碳酸鈣外，還形成額外的菱鎂礦型碳酸鎂，從而促進了微生物的礦化作用。

2．3MIP分析水泥凈漿的孔結構分析結果，如圖4所示。與營養液中無鎂鹽相比，0．5gL鎂鹽的摻入降低了試件的總壓汞體積，即汞壓入試件的孔隙率下降。對比2組試件的dVdlog(d)圖可見，種類a的曲線峰出現于d＞1000nm和50nm＜d＜100nm;種類b的曲線峰出現于d≤10nm和50nm＜d＜100nm。這表明在營養液中摻入適量的鎂鹽，會促進微生物的礦化作用，修復水泥凈漿中的孔隙缺陷，降低孔隙率，增加微細孔隙比率，改善材料的孔結構。

3結論

(1)當營養液僅含鈣鹽時，微生物礦化產物以方解石為主，并含少量球霰石;礦物呈顆粒狀、團簇狀，覆蓋于水泥石基面。適量鎂鹽的摻入使礦化沉淀中除方解石型碳酸鈣外，還形成額外的菱鎂礦型碳酸鎂，促進了微生物的礦化作用;這些針棒狀礦物沉淀依附于孔隙、裂縫內壁，并沿水泥石基面定向排列生長，使得微結構更加致密。(2)營養液中摻入適量的鎂鹽，會促進微生物的礦化作用，修復水泥凈漿中的孔隙缺陷，降低孔隙率，增加微細孔隙比率，改善材料的孔結構。

作者：袁曉露 胡為民 劉冬梅 單位：三峽大學 土木與建筑學院 化學與生物學院 地質災害教育部重點實驗室