微生物水泥净浆微观结构性能探讨范文

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《混凝土杂志》2015年第十一期

微生物诱导碳酸盐沉积(MICP)是微生物在有易形成矿物沉淀的阳离子存在的条件下，通过新陈代谢过程，发生矿化作用，形成碳酸盐沉淀。MICP在自然界中有多种形成途径:硫酸盐还原菌的反硫化过程、氨基酸代谢、还原硝酸盐、有机酸脱羧反应以及尿素水解等。其中，尿素水解易于控制，生成碳酸盐沉淀的效率最高［1－2］。研究表明，MICP技术可应用于改善水泥基材料的亚微观结构，提高其物理力学性能。然而目前的研究主要集中在单一Ca2+存在条件下微生物诱导碳酸钙沉积，鲜有关于其他阳离子的报道。因此本试验选取了一种易形成矿物沉淀的典型阳离子———Mg2+，采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、压汞测孔法(MIP)等亚微观测试手段，研究了镁盐对微生物水泥净浆微观结构性能的影响。

1试验过程

1．1微生物与培养基试验采用高尿素酶活性、无致病性的球形芽孢杆菌。液体培养基成分:12gL蛋白胨、3．6gL牛肉膏、6gLNaCl。将球形芽孢杆菌置于经120℃高压灭菌的液体培养基中(pH值7．3)，在30℃摇床上，以200rpm的速率振荡培养36h，获得原种菌液(pH值8．5)，菌液浓度108个细胞L。

1．2负载微生物为保护微生物免受水泥基材料高碱环境的影响，采用硅藻土(DE)负载菌液［7］，负载比为1g硅藻土∶5mL原种菌液。将混合物置于30℃摇床上，以100rpm的速率振荡1h，得到硅藻土负载菌液。

1．3水泥净浆试件的制备与微观测试分析采用42．5普通硅酸盐水泥(OPC)，制备水泥净浆试件(40mm×40mm×40mm)，配合比如表1所示。试件标准养护1d后拆模，浸泡于营养液中28d，浸泡条件及营养液成分如表2所示。然后取出试件，刮取矿物粉末，采用X射线衍射方法(XRD)，进行成分分析。采用扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)及压汞仪(MIP)，测试水泥净浆试件的微观形貌、元素组成和孔结构特征。

2试验结果及分析

2．1XRD分析图1所示为矿化产物粉末的XRD分析图谱。由图可见，当营养液中无镁盐时，方解石衍射峰较强，球霰石衍射峰较弱;当营养液中含0．5gL的镁盐时，具有明显的方解石衍射峰和菱镁矿衍射峰。这表明当营养液中无镁盐时，微生物矿化产物以方解石为主，并含少量球霰石;而镁盐的掺入使矿化沉淀中除方解石型碳酸钙外，还形成额外的菱镁矿型碳酸镁，从而促进了水泥净浆中微生物的矿化作用。

2．2SEM与EDS分析图2、3所示为水泥净浆试件的SEM、EDS分析图。由图可见，当营养液中无镁盐时，微观结构中存在大量颗粒状、团簇状矿物覆盖于水泥石基面;EDS分析确定了CaCO3的存在。当营养液中额外掺入0．5gL镁盐时，微观结构中出现大量针棒状矿物覆盖于水泥石基面，EDS分析确定了CaCO3和MgCO3的存在。结合XRD分析结果，可以看出当无机盐为钙盐时，微生物矿化产物以方解石型碳酸钙为主，并含少量球霰石，这些碳酸钙沉淀依附于孔隙、裂缝内壁，并沿水泥石基面定向排列生长，使得微结构更加致密。适量镁盐的掺入使矿化沉淀中除方解石型碳酸钙外，还形成额外的菱镁矿型碳酸镁，从而促进了微生物的矿化作用。

2．3MIP分析水泥净浆的孔结构分析结果，如图4所示。与营养液中无镁盐相比，0．5gL镁盐的掺入降低了试件的总压汞体积，即汞压入试件的孔隙率下降。对比2组试件的dVdlog(d)图可见，种类a的曲线峰出现于d＞1000nm和50nm＜d＜100nm;种类b的曲线峰出现于d≤10nm和50nm＜d＜100nm。这表明在营养液中掺入适量的镁盐，会促进微生物的矿化作用，修复水泥净浆中的孔隙缺陷，降低孔隙率，增加微细孔隙比率，改善材料的孔结构。

3结论

(1)当营养液仅含钙盐时，微生物矿化产物以方解石为主，并含少量球霰石;矿物呈颗粒状、团簇状，覆盖于水泥石基面。适量镁盐的掺入使矿化沉淀中除方解石型碳酸钙外，还形成额外的菱镁矿型碳酸镁，促进了微生物的矿化作用;这些针棒状矿物沉淀依附于孔隙、裂缝内壁，并沿水泥石基面定向排列生长，使得微结构更加致密。(2)营养液中掺入适量的镁盐，会促进微生物的矿化作用，修复水泥净浆中的孔隙缺陷，降低孔隙率，增加微细孔隙比率，改善材料的孔结构。

作者：袁晓露 胡为民 刘冬梅 单位：三峡大学 土木与建筑学院 化学与生物学院 地质灾害教育部重点实验室