混凝土在服役期间不可避免地会出现微裂缝。近年来研究人员采用微生物诱导沉积碳酸钙（Microbial-induced carbonate precipitation, MICP）修复混凝土微裂缝。其所用修复液粘性低、流动性大，易渗入裂缝空间，所沉积碳酸钙与水泥基材料相容性好，是非常具有应用前景的微裂缝修复材料。但现有的微生物修复技术在混凝土裂缝修复方面仍存在修复周期长，修复后强度恢复率较低等局限，限制了该技术的推广应用。同时，目前研究多集中于利用MICP修复水平微裂缝，而对于实际工程中常见的竖向微裂缝的修复研究较少。基于此，本论文针对微生物矿化沉积技术修复混凝土竖向微裂缝进行详细研究。 首先，通过筛选得出了溶液环境中生物碳酸钙产生的最优条件，结合工程实际给出了工程要求的高产量和高粘聚性的生物碳酸钙的产生条件。然后，针对目前采用MICP技术修复混凝土竖向裂缝方面较为欠缺且工艺要求方面复杂，采用溶液环境下的最优沉积条件，确定了竖向裂缝的修复工艺参数，通过模拟裂缝环境下的裂缝修复效率的研究，明晰了碳酸钙原位沉积分布规律及工艺参数对裂缝修复效率的影响。由于砂浆基体对修复液具有吸收作用，与模拟裂缝存在一定差异，因此在实际砂浆裂缝内探究了修复工艺对裂缝修复效率的影响，给出了裂缝修复的最佳工艺参数，并且与模拟裂缝空间对比，揭示了各修复工艺参数影响裂缝修复的深层作用机理。最后，在模拟裂缝和砂浆裂缝修复效率的研究中得出，砂浆基体的吸收作用不容忽视，且基体裂缝宽度的影响不容小觑，利用最优修复工艺参数，明确了基体裂缝宽度和孔隙率对修复效率的影响。对比模拟裂缝空间与砂浆裂缝环境下裂缝宽度对修复效率的影响，揭示了裂缝宽度影响修复效率的深层作用机理。利用不同水灰比制作不同孔隙率试样，研究了基体孔隙率对裂缝修复效率的影响规律，揭示了其作用机理。本文主要工作和结论如下： （1）在溶液环境中研究了理化因素对脲酶活性及碳酸钙产量的影响。获得了碳酸钙最优沉积条件，建立了可供工程应用参考的兼具产量和粘聚性的碳酸钙沉积条件的半定量关系式。研究发现，初始pH（7~11）对细菌脲酶活性没有显著影响；而温度和细菌浓度均会显著影响脲酶的活性，随着温度和细菌浓度的增加，酶化反应速率均加快。初始尿素浓度显著影响尿素绝对分解量而对早期反应速率几乎无影响。钙离子浓度在高细菌浓度108 cells/mL时，对碳酸钙的沉积起促进作用，而在低细菌浓度107 cells/mL时对碳酸钙的沉积为抑制作用。理化因素对碳酸钙沉积影响的顺序为钙离子浓度>细菌浓度>尿素浓度>温度>初始pH。获得了高产量和高粘聚性的生物碳酸钙形成的最优条件：20℃，细菌浓度为107 cells/mL，尿素和钙离子浓度为0.5 M/0.5 M。该条件下，CaCO3的质量损失率为9.24%。为实际工程提供了可参考的兼具产量和粘聚性碳酸钙的沉积条件。 （2）选用蠕动泵注射法对模拟裂缝进行修复研究。明确了修复工艺参数包括修复液泵入速度（简称流速）、裂缝表面预封长度（封缝长度）以及注射口位置，对裂缝修复效率的影响机制。通过Image J软件以及模拟裂缝空间内碳酸钙的体积计算对裂缝空间内碳酸钙的分布进行半定量表征。研究发现，当修复液流速为15.91μL/min、封缝长度为全封、注射口位置在裂缝底部时，MICP修复裂缝的效果最优。裂缝侧壁碳酸钙覆盖率、裂缝表面修复率和体积填充率分别为94.38%、79.48%、98.01%，碳酸钙主要分布在裂缝深度区域内，有利于裂缝深度方向的修复。修复工艺参数本质上影响了修复液在裂缝内沉积碳酸钙的时间，每毫升修复液在裂缝内沉积碳酸钙的时间为1 h时，可以兼顾裂缝修复后裂缝内碳酸钙的产量和工程修复周期。通过统计学SPSS分析，明确了三种修复工艺对修复效率影响程度是注射口位置>流速>封缝长度。 （3）采用注射法对砂浆裂缝修复进行研究。得出了裂缝修复的最优工艺参数，揭示了其作用机理。研究发现，当流速为15.91μL/min、封缝长度为全封、注射口位置在底部时，裂缝修复效率最优。试样表面修复率最高可达88.22%，抗压强度为41.4 MPa，比未修复试样提高了约7倍以上，与无裂缝试样相比，抗压强度恢复率达83.9%，对比（2）和（3）结果，揭示了工艺参数影响修复效率的作用机理。表明修复工艺参数（修复液流速、封缝长度、注射口位置）直接影响修复液的更替时间、修复液在裂缝内的储存量、修复液在裂缝内的作用时间，实质上均影响了修复液在裂缝空间内的反应时间，既而影响了碳酸钙的产量。反应时间越长，碳酸钙产量越高，然而工程周期也同步延长，因此工程实际中需平衡反应时间和碳酸钙产量。 （4）对比（2）和（3）的结果差异发现，基体对修复液的吸收会造成模拟裂缝空间和砂浆裂缝两种环境下修复效率的差异。因此，研究了基体裂缝宽度和孔隙率对裂缝修复效率的影响，探明了其影响规律，并揭示其作用机理。研究发现，裂缝宽度增加后，修复后试样的抗压强度降低了约30%，其主要原因是：裂缝宽度增加，裂缝体积相应增加，在其他条件一致的情况下，裂缝空间内修复液的更替时间延长，碳酸钙完成沉积时间延长。当裂缝宽度增加到1 mm后，已形成的碳酸钙需继续完成成核长大，无足够的空间为新注射修复液完成碳酸钙沉积，因此裂缝宽度增加后，碳酸钙产量降低，修复效率变差。为研究基体孔隙率的影响，成型了不同水灰比（0.5、0.6、0.7）试样制造不同孔隙率试样。结果发现，试样水灰比从0.5增加到0.7，修复后裂缝表面修复率和抗压强度均呈现先增加后降低的趋势。孔隙率影响裂缝修复效率的机理可能是砂浆基体水分蒸发速度与修复液注射速度之间的平衡关系。 |
