硫鋁酸鹽水泥砂漿的MICP修復試驗研究

王巍智

摘 要：【目的】利用生物礦化修復技術（MICP）對腐蝕破壞后的硫鋁酸鹽水泥制品進行修復試驗研究?！痉椒ā磕M實際硫鋁酸鹽水泥制品的破壞進行侵蝕破壞試驗，利用MICP技術對破壞的水泥砂漿試塊進行修復研究。為確保試塊反應充分，利用先浸泡后烘干再浸泡的循環處理方式，使溶液與干燥試塊之間形成壓力差，并通過試塊內部的毛細作用均勻進入試塊當中。通過監測試驗試塊質量和強度變化來探究MICP技術修復的有效性?！窘Y果】隨著修復次數不斷增加，試塊質量在修復處理12次后較未處理時增加4%，抗壓強度增加1 131%。由試驗結果可知，MICP技術能顯著避免試塊質量損失，提高劣化試塊抗壓強度?！窘Y論】MICP技術對破壞后硫鋁酸鹽水泥制品修復具有可行性。

關鍵詞：硫鋁酸鹽水泥砂漿；力學性能；MICP；浸泡

中圖分類號：TQ177.6+2? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-5168（2024）04-0079-09

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2024.04.015

Experimental Study on MICP Repair of Sulphoaluminate Cement

Mortar

WANG Weizhi

（School of Civil Engineering and Architecture of Kaifeng University， Kaifeng 475004， China）

Abstract： [Purposes] Microbially Induced Carbonate Precipitation （MICP） was used to conduct repair experimental research on thioaluminate cement products after corrosion damage. [Methods] The erosion failure experiment was carried out by simulating the failure of the actual thioaluminate cement products， and the damaged test blocks were repaired by MICP technology. In order to ensure the full reaction， the cyclic treatment method of first soaking， drying and then soaking were used to form a pressure difference between the solution and the drying test blocks， and uniformly entered the test blocks through the capillary action. The effectiveness of MICP repair was explored by monitoring the mass and strength changes of test blocks. [Findings] With the continuous increase of the number of repairs， the mass of the test blocks increased by 4% compared with the untreated after 12 repairs， and the compressive strength increased by 1 131%. It can be seen from the test that MICP technology can significantly avoid the mass loss and improve the compressive strength of the deteriorated test blocks. [Conclusions] MICP technology is feasible for the repair of thioaluminate cement products after failure.

Keywords： sulphoaluminate cement mortar; mechanical property; MICP; soak

0 引言

硫鋁酸鹽水泥是20世紀70年代我國自主研發的以無水硫酸鈣（3CaO·3Al2O3·CaSO4）和硅酸二鈣（2CaO·SiO2）［1］為主要礦物的新型水泥［2-5］。由于硫鋁酸鹽水泥具有負溫施工性能、快硬高強性能、耐海水腐蝕性能等［6-7］特點，被廣泛應用于碼頭、港口修補搶修工程［8-10］。由于硫鋁酸鹽水泥低堿性、低抗碳化和低抗氯離子滲透性的特點，造成硫鋁酸鹽水泥制品的腐蝕性也較強［11-14］。提高該材料的耐久性是工程施工中亟待解決的難題。

國內外學者深入研究了硫鋁酸鹽水泥的破壞機理。劉贊群等［15］發現硫鋁酸鹽水泥凈漿與碳酸鈉溶液之間的化學反應產物產生的結晶膨脹是導致凈漿試件破壞的原因。高萌等［16］利用硫鋁酸鹽水泥和石灰混合后形成富水充填材料，通過研究碳酸根離子對富水充填材料的影響發現，碳酸鹽溶液對富水充填材料有腐蝕作用。Dyer［17］研究了弱酸對硫鋁酸鹽水泥劣化的影響規律?？梢?，硫鋁酸鹽水泥自身優缺點非常明顯，現階段對其力學性能、破壞機理已有大量研究，并提出了一系列改善劣化的方法，但對硫鋁酸鹽水泥劣化后的工程如何修復的研究較少，能否使用生物礦化修復技術 （Microbial Induced Calcium carbonate Precipitation，MICP）對劣化的硫鋁酸鹽水泥砂漿進行修復［18］，值得深入研究。

關于MICP修復技術方面，De Muynck等［19］通過微生物誘導產生碳酸鈣沉淀對水泥表面進行覆膜，使材料的毛細吸水率下降和對氣體滲透率降低。袁曉露等［20］研究了微生物礦化對水泥基材料的自修復作用，發現礦化生成的方解石型碳酸鈣和菱鎂礦型碳酸鎂沉淀填充于試件內部缺陷、裂縫，促進了材料的自修復，提高了水泥凈漿的強度。彭劼等［21］開展了不同膠結液濃度下MICP壓力灌漿加固有機質黏土的研究試驗，綜合評價了MICP壓力灌漿加固有機質黏土的效果?？梢?，MICP在工程修復中已進行了大量研究［22-24］，解決了部分工程問題。

基于硫鋁酸鹽水泥砂漿的性能和MICP技術的特點，本研究嘗試利用MICP技術多次循環修復劣化的硫鋁酸鹽砂漿試塊，通過強度變化和微觀結構分析，驗證MICP多次循環修復技術的可行性。試驗分兩階段進行：第一階段，模擬環境和生物帶來的弱酸環境，對硫鋁酸鹽水泥砂漿進行劣化試驗，為修復提供試樣；第二階段，對腐蝕過程中的砂漿試塊利用MICP技術進行修復，采用浸泡烘干往復方式，提高修復效果。

1 試驗與原材料

1.1 硫鋁酸鹽水泥砂漿原料

試驗砂漿試塊所用水泥為SAC 42.5快硬性硫鋁酸鹽水泥，其成分見表1，水泥砂漿中集料為天然河砂。

1.2 微生物的活化與培養

本研究試驗中選用巴氏芽孢桿菌作為礦化菌株。其最適宜溫度為30 ℃，培養條件為需氧培養［25-26］，培養基主要成分為酵母浸粉10 g/L、蛋白胨5.0 g/L、氯化鈉10 g/L。以該比例配制好的培養基溶液在高壓蒸汽滅菌鍋中121 ℃恒溫滅菌20 min。放入無菌操作臺降溫，當溫度下降至30 ℃時按1∶10的比例將巴氏芽孢桿菌菌液接種至培養基中，接種后放入振蕩培養箱中以30 ℃，170 r/min培養36 h后備用［27］。

為測量培養后微生物是否滿足使用標準，本研究利用分光光度計600 nm波長測其菌液的吸光值，為確保測量準確，又將培養后的菌液用去離子水稀釋10倍進行測量。結果發現稀釋10倍后儀器顯示OD600值為0.248，可見其微生物OD600值為2.48，滿足使用要求［28］。

1.3 劣化溶液的制備

由于腐蝕是一個漫長的過程，且在實驗室制備出碳酸溶液相對不穩定，對結果有一定影響，因此，本次試驗通過巴氏芽孢桿菌菌液與尿素溶液混合后分解形成含有[CO2-3]的溶液進行試驗。將菌液與1 mol/L的尿素溶液按1∶1的體積比進行混合，放入恒溫搖床中繼續培養24 h。培養完成后用電導率儀（OAKTON， con 6 Acorn series）測溶液5 min內電導率的變化值，根據Whiffin［29］提出的隨著脲酶催化尿素反應不斷進行，生成的碳酸根離子越來越多，使得本不導電的尿素溶液導電性越來越強，從而通過測量每分鐘電導率變化來衡量脲酶活性的方法，當電導率不再增長時說明尿素分解完全，該溶液可作為水泥砂漿破壞的劣化溶液備用。

1.4 硫鋁酸鹽水泥砂漿的制備

根據《建筑砂漿基本性能試驗方法標準》（JGJ/T70—2009）要求制成 70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的立方體水泥砂漿試塊，其中水泥砂漿各體積比水泥∶砂∶水為1∶7∶1.5，密度為2 000 kg/m3，水泥砂漿試塊各成分質量為水泥75 g、砂520 g、水111 g。

將攪拌入模后的硫鋁酸鹽水泥砂漿放入振動臺上振動密實，在標準條件下靜置24 h后脫模。脫模后試塊放入（25±2）℃，濕度95%左右養護箱中養護28 d備用［30］。

1.5 膠結液的制備

本研究試驗中采用的膠結液為氯化鈣與尿素的混合溶液，其中尿素為微生物生長提供氮源和能量，也為生物礦化提供碳酸根離子，氯化鈣為礦化提供鈣源。尿素和氯化鈣按1∶1物質的量濃度進行混合，其中尿素60 g、氯化鈣111 g加入1 L去離子水中攪拌溶解備用。

2 試驗方法

本試驗分兩階段進行：第一階段，模擬實際環境利用人為因素破壞硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊；第二階段，利用MICP技術修復破壞后的砂漿試塊。

2.1 處理方法

利用生物浸泡方式，將成型烘干的試塊浸泡在膠結液當中令其完全飽和，通過試塊與液體之間的壓力差和內部毛細作用，溶液更好進入試塊。將飽和試塊放入60 ℃烘干箱中烘干，再浸泡菌液使礦化反應更好地在試塊內部發生，MICP修復技術原理如圖1所示。如此反復循環處理多次后使較多碳酸鈣沉淀沉積在試塊內部，附著在顆粒之間達到修復目的。

2.2 試塊吸水飽和后完全烘干時間測試

處理試塊過程中需要對試塊進行烘干處理，但長時間的烘干會導致試塊因溫度原因造成其強度下降，對試驗結果產生不利影響［31］。由于60 ℃能更好地將試塊中毛細水蒸干又不會因過高的溫度對短期處于此環境的試塊造成破壞，故本試驗過程采取60 ℃對試塊進行干燥處理?，F設計1組烘干試驗，分別取3個硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊編號為R1、R2、R3。后將試塊浸泡在水中待其飽和，測其質量后放入60 ℃的烘箱中，每隔1 h對試塊進行質量測量，當質量不再減少時記錄時間，說明此時試塊含水率接近0%，然后停止試驗，避免長期高溫對試塊強度的影響。

2.3 硫鋁酸鹽水泥砂漿破壞后質量測試

取12塊養護成型的硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊分為4組，編號分別為Y1、Y2、、Y3和D，其中Y1處理4次、Y2處理8次、Y3處理12次，D為對照組。將Y1、Y2、Y3組試塊按規定次數浸泡劣化溶液，D組以相同的時長浸泡水進行對照，并記錄每次處理后試塊的質量變化情況，以探究破壞處理對試塊質量的影響。

2.4 破壞后硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊的強度測試

根據《水泥膠砂強度檢測方法（ISO法）》（GB/T 17671—2021）規范規定，將Y1、Y2、Y3、D組分別進行抗壓強度試驗，記錄試塊不同破壞處理次數的強度變化，分析劣化溶液對硫鋁酸鹽水泥砂漿強度的影響。

2.5 利用MICP技術修復破壞硫鋁酸鹽水泥砂漿測試

將養護成型的9個硫鋁酸鹽砂漿試塊全部進行12次破壞處理，并把9個試塊分為J1、J2、J3三組，每組3個進行修復研究。具體修復方法為先將破壞后試塊浸泡在由尿素和氯化鈣混合成的膠結液中使試塊飽和，再放入鼓風烘干箱以60 ℃條件進行8 h烘干，待試塊完全烘干后浸泡巴氏芽孢桿菌菌液并以相同條件烘干，如此循環處理。

其中J1循環處理4次、J2循環處理8次、J3循環處理12次，分別記錄每次循環后試塊質量變化。通過對質量變化的分析，證明MICP技術對硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊修復的有效性。后根據上述抗壓試驗對J1、J2、J3組處理后試塊進行壓力機峰值的測試，研究MICP技術能否對已經被破壞的硫鋁酸鹽水泥砂漿強度起到修復作用。

2.6 微觀結構的分析

分別對已經破壞的硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊及破壞修復后的砂漿試塊樣品進行SEM掃描電鏡試驗［32］，通過對修復前后試塊微觀結構形貌的觀察，分析MICP技術對硫鋁酸鹽砂漿試塊修復的作用機理。

3 試驗結果與討論

3.1 確定吸水飽和試塊烘干時間

不同烘干時間吸水飽和試塊質量的減少情況見表2，不同烘干時間下試塊失水質量如圖2所示。由表2、圖2可知，前6 h吸水飽和的砂漿試塊在烘干過程中，質量降低曲線斜率為負，且在0 h至3 h中，質量下降較快，在3 h至6 h中斜率慢慢增大，質量下降緩慢，直至6 h后，質量基本上穩定不變。說明體積為70.7 mm×70.7 mm×70.7 mm的鋁酸鹽水泥試塊在吸水飽和情況下放在60 ℃的烘箱中烘干6 h后含水率為0%。在試驗中控制烘干時間，能在最短的時間內烘干試塊中水分，防止長時間高溫對試塊強度造成不利影響。

3.2 破壞后試塊質量及外貌變化分析

不同浸泡次數烘干后試塊質量的變化情況如圖3所示。由圖3可知，硫鋁酸鹽水泥砂漿浸泡4次劣化溶液后，平均質量較未處理時提高4.2%，說明浸泡4次劣化溶液后，反應不充分未能使砂漿試塊出現砂礫脫落現象，試塊烘干后浸泡劣化溶液水分蒸發，溶液中物質殘留在試塊當中，質量反而有所增加。

Y2、Y3組試塊從第5次浸泡反應溶液開始，質量有明顯的下降趨勢，且Y3進行8次至12次的劣化過程中，質量分別較未處理時下降8.2%和11.7%，說明試塊在劣化溶液中發生了劣化反應，劣化溶液中的碳酸與試塊反應使其堿性降低，硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊的膠結能力不足，出現砂礫脫落的腐蝕現象。

經反應溶液處理后砂漿破壞情況如圖4所示。由圖4可知，經過4次處理后試塊破壞程度不大，僅在外層出現起皮、松散等情況；經8次處理后試塊劣化較為嚴重，出現砂礫脫落現象；經12次處理后發現試塊表面砂礫裸露，并伴有大量砂礫脫落，對試塊造成了嚴重不可逆的破壞。

3.3 破壞后試塊強度的變化分析

Y1、Y2、Y3、D組抗壓試驗結果見表3，經劣化處理后試塊強度下降較大。不同浸泡次數對試塊的壓力峰值影響如圖5所示。由圖5（a）可知，經劣化溶液浸泡4次的試塊平均壓力機峰值由未破壞的19.760 kN下降至2.542 kN，下降了87.1%，隨著浸泡次數增加至12次，試塊強度較未處理時降低93.2%。對比圖2質量變化曲線可以看出，當Y1組試塊進行4次浸泡后雖質量有所增加，但強度明顯降低，說明試塊開始浸泡劣化溶液時已經失去強度，劣化反應已在試塊內部發生。但試塊表面還沒有發生大面積腐蝕，說明溶液碳酸還沒有與試塊中的碳酸鈣反應生成溶于水的碳酸氫鈣而流失。隨著劣化次數增加，使得更多的碳酸鈣與碳酸反應，進而導致其他水化產物的分解，試塊造成嚴重的腐蝕破壞。

3.4 利用MICP技術修復后試塊質量及外貌變化分析

不同MICP處理次數后試塊質量的變化情況如圖6所示。由圖6可以明顯看出，經MICP技術修復處理4次后，試塊質量呈正增長變化，較未處理時增加了1%，說明在試塊內部形成碳酸鈣沉淀的沉積，隨處理次數從4次增加至12次質量也在不斷增加，處理12次后平均質量較未處理時增加了4%?？梢?，通過微生物礦化作用，試塊中的顆粒間形成大量碳酸鈣沉淀的沉積，使得試塊質量有所增加。

經MICP技術不同次數處理后試塊表面形態如圖7所示。對比破壞砂漿發現，試塊腐蝕的現象得到明顯改善，整體性更強，對試塊表面也有很好的填充修復作用。多次循環處理后溶液中大量碳酸根離子被消耗，避免了試塊繼續破壞，說明MICP技術對破壞后的硫鋁酸鹽水泥砂漿修復是有效的。

3.5 MICP技術修復后試塊強度分析

為更直觀地觀察修復后試塊強度的變化，將破壞試驗組Y1、Y2、Y3壓力峰值同微生物處理后的J1、J2、J3組試塊壓力峰值平均值進行對比分析，結果如圖8所示。由圖8中可知，經MICP技術處理4次后試塊壓力峰值增加不明顯，說明MICP技術修復次數不足無法達到預期修復效果。浸泡8次后試塊強度有較為明顯提高，壓力峰值平均提高約197%，說明MICP技術修復破壞后的硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊有明顯作用。浸泡處理12次后試塊強度有大幅度提高，由圖8可知，試塊壓力峰值平均提高1 131%，結果說明MICP技術修復對破壞后的硫鋁酸鹽水泥砂漿的強度有明顯提高作用，且隨著循環修復次數增加，砂漿試塊修復效果更好。碳酸鈣沉淀在水泥砂漿試塊中起到“橋梁”作用，既可提高試塊抵抗外力的能力，又對試塊的孔隙有一定的填充作用，使材料內部結構的整體性更強。

Y1、Y2、Y3、J1、J2、J3試塊形態見表4?？梢钥闯?，破壞處理后試塊表面出現腐蝕現象，且處理12次后砂漿試塊已經變形，出現大量砂礫脫落現象。而經MICP技術修復后的水泥砂漿試塊形態較破壞處理后的硫鋁酸鹽水泥砂漿完整，沒有出現大面積腐蝕跡象，說明MICP的修復技術對已破壞砂漿具有積極作用。

3.6 微觀電鏡分析

Y1、Y2、Y3組水泥砂漿試塊進行SEM掃描圖像如圖9所示。由圖9可知，當破壞后的試塊放大5 000倍時，試塊微觀結構出現裂縫、斷裂情況。同樣，從2 000倍的放大圖片中可以看到，試塊結構中有大量空隙。從500倍圖片中可以看到，片狀結構中有斷層現象，這也是造成試塊強度降低的原因。從Y1組至Y3組可以看到隨著浸泡次數的增加裂縫寬度也不斷增加，從放大500倍圖片可以看到顆粒整體存在大量空隙，且顆粒脫落明顯。說明當硫鋁酸鹽水泥砂漿試塊發生破壞時，硫鋁酸鹽水泥膠砂失去膠結能力，無法對砂礫產生膠結作用。從微觀角度來說，試塊內部出現不連續的結構形態，裂縫、空隙較多，這是水泥砂漿失去膠結能力、喪失強度的主要原因。

MICP處理破壞試塊SEM掃描圖像如圖10所示。從J1、J2、J3組分別放大5 000倍的圖片中可以看到大量的碳酸鈣晶體沉淀，這些沉淀晶體堆積在砂漿孔洞中，不僅填充了孔隙而且對裂縫進行了修復。在2 000倍圖片中可以看出裂縫、空隙明顯減少，結構整體性更強，碳酸鈣沉淀晶體更多。在放大500倍的情況下相比較圖9中孔洞更少，且無裂縫出現。隨著處理次數的增加試塊內部碳酸鈣附著物更多，結構更加密實。說明生成的碳酸鈣晶體在試塊內大量附著，對劣化產生的縫隙及孔洞都有很好的填充作用，對試塊強度的提升有顯著影響。

4 結論

為促使砂漿試塊破壞反應，室內試驗人通過對質量和強度的監測發現，隨著破壞處理次數由4次增至12次，處理12次時質量減少至原有試塊質量的11.7%、試塊抗壓強度降低87.1%，說明含有碳酸根離子的溶液對硫鋁酸鹽水泥制品具有不利影響。

通過MICP技術對破壞處理12次后的砂漿試塊進行修復處理發現，隨著修復次數由4次增加至12次，水泥砂漿試塊強度不斷提高，最高可達到原有強度的1 131%；修復后試塊質量也增加了原有試塊質量的4%，說明MICP技術對已破壞硫鋁酸鹽水泥制品的劣化修復具有可行性。對比修復前后試塊形態可以看出，經MICP技術修復后砂漿試塊表面完整，沒有砂礫脫落腐蝕現象，對硫鋁酸鹽水泥修復相關工程具有一定幫助。

通過對修復前后砂漿試塊的微觀結構分析發現，破壞后試塊內部結構出現多處斷裂、孔隙等劣化現象，顆粒與顆粒之間較為松散，整體性較差。經MICP技術處理后的砂漿試塊內部有大量碳酸鈣沉淀晶體出現，對破壞的水泥砂漿試塊內部的孔隙及結構進行填充和修復，可有效改善硫鋁酸鹽水泥砂漿材料的各項性能，進一步證明了MICP技術對破壞后硫鋁酸鹽水泥砂漿修復的可行性。

MICP技術因其各種優勢成為當前較為熱門的材料修復及結構加固技術，對硫鋁酸鹽水泥制品的修復更為適用。本研究的試驗結果也驗證了這一現象，研究結果可為MICP技術修復工程提供一定參考。

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