摘要
混凝土作为用量最大、范围最广的建筑材料，在服役过程中不可避免的会产生裂缝，这不仅影响建筑物的美观性与功能性，还降低耐久性。近年来，随着微生物矿化技术的发展，利用微生物诱导碳酸钙沉积（MICP）技术来修复混凝土裂缝已成为国内外学者的研究热点。然而，对于在裂缝修复过程中，如何有效提升微生物的矿化效率、如何表征和提高裂缝修复深度和密实度、微生物自修复混凝土的常规性能有何变化、裂缝区微生物的矿化机理是怎样的，微生物自修复混凝土在工程中如何应用等问题仍研究不足。针对以上问题，本文进行了详细研究。 本文在矿化菌A的基础上，筛选出耐碱性强的B菌和C菌，通过研究复合微生物的生长情况和矿化能力来确定复合微生物修复剂配方，并采用糖衣包裹的方法制备出核-壳结构的复合微生物修复剂颗粒。随后，以裂缝修复深度和密实度来评价裂缝的自修复效果，并研究了裂缝二次开裂修复问题，明确了三种复合微生物修复剂颗粒对裂缝自修复性能的影响规律。接着，详细研究了复合微生物修复剂颗粒对混凝土拌合物性能、力学性能、孔结构、气体渗透系数以及耐久性能的影响。通过测试混凝土裂缝区溶液CO32-浓度、Ca2+浓度和微生物演变及酶活性的变化，揭示了复合微生物提升裂缝修复深度和密实度的机理。最后，依托南京地铁麒麟门站工程项目，开展微生物自修复混凝土的示范应用，并监测了裂缝的产生及自修复效果。本论文的主要研究结论和创新成果包括以下五方面： （1）A菌作为矿化菌，B菌和C菌在生长过程中能改善A菌生长，提高矿化效率。以此为基础，确定了三种复合微生物修复剂。A菌能加速CO2的水合反应，促进CaCO3的生成，复合B菌、C菌诱导生成的CaCO3的粘附力从19.84nN提高到41.47nN、70.76nN。添加改性物质后，CaCO3的粘附力提高到122.70nN。通过糖衣包裹方式制备出了颗粒强度和粒径均匀性良好的核-壳结构复合微生物修复剂颗粒。 （2）将三种核-壳结构复合微生物修复剂颗粒等质量替代细骨料制备出了III型，III+型和III-p型微生物自修复混凝土。以裂缝面积修复率确定了复合微生物修复剂颗粒的添加量，宜为细骨料质量的3%。随后，以混凝土裂缝修复深度和密实度来评价裂缝自修复效果，经过28d干湿循环养护后，III-p型微生物自修复混凝土的裂缝修复深度及密实度最好，X射线计算机断层扫描成像（X-CT）分析表明，其修复深度可高达2.8cm，渗水系数下降约3个数量级，超声波脉冲速度为3.35km/s，抗氯离子渗透修复率可达77.6%。其次是III+型和III型微生物自修复混凝土。主要原因是III-p型微生物修复剂能提高混凝土裂缝区方解石CaCO3的粘聚性，避免了修复产物CaCO3的流失。混凝土裂缝二次开裂修复的面积修复率、超声波脉冲速度及抗氯离子渗透修复率仍能保持一次开裂修复的90%以上。 （3）三种核-壳结构复合微生物修复剂颗粒会略微增加混凝土的坍落度、扩展度和凝结时间，降低混凝土的表观密度和绝热温升。同时，微生物自修复混凝土的早期抗压强度和抗折强度稍有下降，但后期强度不受影响。此外，复合微生物修复剂颗粒会增加早期（7d）混凝土的孔隙率和气体渗透系数，而不影响混凝土后期（28d）的孔隙率和气体渗透系数。复合微生物修复剂颗粒对混凝土的耐久性能无负面影响。 （4）本研究中的微生物自修复混凝土，微生物矿化过程主要是由大气中CO2提供CO32-，而A菌、B菌和C菌新陈代谢过程中产生的CO2可忽略不计。A菌产生的碳酸酐酶加速了CO2水合反应，并生成CO32-。而B菌和C菌的生长有利于A菌的萌发、生长及诱导矿化，并提高水泥基材料裂缝中的Ca2+浓度，为微生物矿化提供所需的钙源，提高了裂缝的修复深度和密实度。此外，混凝土裂缝区溶液中CO32-含量的不足是影响裂缝修复深度的主要因素之一。微生物芽孢在混凝土模拟裂缝区溶液经历了“芽孢-细胞营养体-芽孢”的演变过程。随着营养物质的消耗，细胞营养体会再次转变为具有潜在活性的芽孢状态。此外，pH值和温度均会影响碳酸酐酶活性，而B菌和C菌有助于高pH值下碳酸酐酶活性的保持。混凝土裂缝区起修复作用的产物主要是方解石CaCO3，改性物质仅增加CaCO3颗粒之间的粘聚性，并不能修复裂缝。 （5）依托宁句城际轨道交通工程项目，将III型微生物自修复混凝土应用在麒麟门地铁站一侧墙上。批量化生产的核-壳型复合微生物修复剂颗粒强度和均匀性良好，矿化能力未受影响。搅拌站试验表明，III型微生物自修复混凝土的工作性能、表观密度、凝结时间以及抗压强度均与实验室结果一致，适于工程应用。振弦式应变传感器可有效监测混凝土裂缝可能出现的位置和时间。对于工程现场裂缝修复状况，可采用表面面积修复率和超声波脉冲速度表征。裂缝修复效果表明，采用饱含营养液湿布覆盖养护能提高混凝土裂缝的修复效果，其次是饱水湿布覆盖养护和喷水养护，且裂缝区修复产物均是结晶性良好的方解石块状大颗粒。
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