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基于膨胀珍珠岩固载微生物的混凝土裂缝宽度修复及基本力学性能初探

时间:2018-11-10 20:16来源:www.e-lunwen.com 作者:lgg 点击:
本文是一篇土木工程论文,在土木工程的发展过程中,工程实践经验常先行于理论,工 程事故常显示出未能预见的新因素,触发新理论的研究和发展。不少工程问题的处理,在很大程度
本文是一篇土木工程论文,在土木工程的发展过程中,工程实践经验常先行于理论,工 程事故常显示出未能预见的新因素,触发新理论的研究和发展。不少工程问题的处理,在很大程度上仍然依靠实践经验。(以上内容来自百度百科)今天为大家推荐一篇土木工程论文,供大家参考。
 
第一章 绪论
 
1.1 选题背景
1.1.1 混凝土裂缝的危害
混凝土抗压强度高、耐久性好、成本低,以至于它是目前使用最广泛的建筑材料。随着我国城镇化进程的加快,城市基础设施建设规模不断扩大,在未来很长一段时间内,混凝土仍将是土木工程中最主要的工程材料[1]。然而混凝土作为一种多相非匀质材料,存在抗拉强度低、脆性高,抗裂性能差等缺点,因此在长期使用过程中容易受周围复杂环境的影响,混凝土的表面和内部难以避免会产生微小裂缝。裂缝产生后,不仅混凝土的强度会降低,而且环境中的水、氧气、氯化物和其他腐蚀性物质会通过裂缝侵入混凝土的内部,引发渗漏、碳化、钢筋锈蚀等一系列问题(如图 1-1 所示),降低混凝土结构的耐久性。例如隧道及地下工程等场所一旦有裂缝出现将会带来严重后果[2]。这些微小裂缝如果在发展成宏观裂缝之前能得到有效修复,那么将显著提高结构的安全性和耐久性。填充法是沿原有的混凝土裂缝开 U 型槽或者 V 型槽,将表面清理干净后灌注填充材料进行修复。虽然填充法应用广泛,能修复较宽的裂缝(缝宽大于 5mm),但在开槽过程中容易产生二次损伤,严重时可能破坏原混凝土结构,使裂缝无法修复。特别对于很注重外观完整的历史文物以及受力大的关键构件,一般情况下都不允许开槽。此外,若要对裂缝中存在已经锈蚀的钢筋进行防锈防腐处理,必须进一步扩大扩深所开沟槽,这对修复后混凝土的承载能力和耐久性会产生较大影响[4]。
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1.2 基于微生物矿化沉积的裂缝修复技术
混凝土表面防护修复是利用材料表面对微生物菌体的吸附特性,在需要处理的材料表面富集菌体,并提供适宜矿化的表面环境,最终在材料表面沉积得到致密碳酸钙膜层,从而达到表面缺陷防护修复的目的[1]。微生物矿化沉积首先被应用在石材表面的防护修复,1974 年 Adolphe[13]从石灰岩中分离出的细菌可以矿化沉积碳酸钙,1990 年 Adolphe[14]等人首次提出将微生物矿化沉积技术应用于装饰石材防护领域。1999 年 Le Metayer-Levrel[15]等人进行现场试验,在整个石材表面喷涂一定浓度的芽孢杆菌菌液,每天添加胶凝液和营养物,处理后的石灰石表面吸水率下降达五倍以上,更为重要的是石材的形貌没有受到影响。2003 年 Navarro[16]等通过微生物诱导碳酸钙沉积可修复劣化石灰石装饰表面的裂缝。Dick[17]等人在之后利用脲酶菌在劣化石灰石表面沉积出碳酸钙,大大降低了石灰石表面毛细吸水系数。2009 年李沛豪[18-20]等人采用巴氏芽孢八叠球菌对混凝土及石质文物表面保护进行了研究,试验表明微生物诱导碳酸钙沉积可以有效提高混凝土的抗碳化能力,可应用于历史建筑的修复保护,提高混凝土结构的耐久性。2009 年钱春香[21]选取碳酸盐矿化菌,将水泥石试件浸泡在菌液和营养液中,最终在水泥石表面沉积一层致密而坚硬的碳酸钙保护层。并测试了表面沉积碳酸钙的抗酸腐蚀能力,发现碳酸钙沉积层耐酸值为 1.5,对环境中的酸雨有一定的抵抗能力[22-23]。2013 年钱春香[24]用琼脂将菌株和营养物质固载后涂刷于水泥石表面,创造菌株矿化沉积的微环境,生成碳酸钙膜,经微生物覆膜防护修复后,水泥石试件表面毛细吸水系数降幅高达 90%,防护效果显著。研究人员利用上述技术对水泥基材料进行微生物覆膜,有效降低了材料吸水率,提高了材料的耐久性[25]。微生物诱导矿化反应生成的碳酸钙本身就是一种天然石材,不仅对环境友好,而且与水泥基材料相容性好,在历史文物的表面修复防护具有巨大优势。
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第二章 自修复颗粒的制备与性能研究
 
自修复颗粒作为自修复混凝土实现裂缝自修复的关键因素,为确保后续试验能够顺利进行,有必要对其制作过程和性能进行探讨,本文自修复颗粒的主要制作流程为:培养微生物→筛选载体→制作菌载体和乳酸钙载体→将载体进行包裹封装→加入混凝土中。测试吸水率、筒压强度、体积漂浮率、堆积密度等物理性能指标,并利用扫描电镜分析载体的微观形貌。
 
2.1 微生物的选择与培养
微生物修复混凝土裂缝的实现方式主要是将合适的微生物通过合理方式加入到混凝土中,当出现裂缝时,外界空气、水分会进入混凝土内部,处于休眠状态的微生物得到激活,将掺入混凝土中的营养介质分解并诱导碳酸钙生成,从而填补裂缝以达到修复效果。本文选用的微生物为好氧嗜碱芽孢杆菌(Bacteria.H1),满足以下几点要求:1、具有嗜碱耐碱性能:混凝土内部 pH 值最高可达到 13,所以要求选用的微生物必须具有一定的耐碱性能,本文采用的菌种能够在 pH=10 时大量繁殖,与最适 pH 值大多在 7~9 的巴氏芽孢杆菌相比,具有更好的耐碱性。2、好氧型:密实的混凝土内部是一个干燥和缺氧的环境,如果所选菌株为好氧型微生物,可以保证微生物在混凝土未开裂时不会在内部苏醒和繁殖而发生矿化反应,保证自修复机制只有当有裂缝存在时才能启动。3、环境友好型:根据绪论 1.2.2 论述的用于自修复混凝土的微生物矿化途径,基于绿色可持续的发展理念,矿化过程中无有害气体产生,对生态环境无污染,对人体无危害。
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2.2 营养物质的选择与掺量制定
微生物矿化沉积过程中需要营养物质作为底物,而营养物质种类的选取及掺量可能对微生物自修复混凝土的裂缝修复能力以及基本力学性能产生较大的影响[48]。因此,一方面需要足够的营养物质以保证混凝土具有良好和持久的裂缝自修复能力,另一方面,又要保证对混凝土的基本力学性能无显著的不利影响。
 
2.2.1 营养物质的选择
Jonkers[49]等对各种可用于微生物培养的营养物质进行了测试,营养物质包括酵母膏、蛋白胨、淀粉、尿素、葡萄糖酸钠、抗坏血酸钠、柠檬酸钠、聚丙烯酸钠、天门冬氨酸钠、谷氨酸钠、谷氨酸钙、甲酸钙、醋酸钙、乳酸钙。将这些微生物生长所需的营养物质分别加入水泥砂浆试件中,养护 28d 后测试抗压和抗折强度。结果表明,掺入葡萄糖酸钠和抗坏血酸钠的试件 28d 后强度为 0MPa;掺入酵母膏、蛋白胨、淀粉、尿素、聚丙烯酸钠、天门冬氨酸钠、谷氨酸钠、谷氨酸钙、柠檬酸钠、醋酸钙的试件 28d 强度低于对照试件[50];而掺有甲酸钙、乳酸钙的试件不会造成劈裂抗拉强度损失;当掺入水泥质量 1%的乳酸钙时,混凝土 28d 立方体抗压强度会出现一定的提高[29]。因此,本文决定选用乳酸钙作为供微生物利用的营养介质。
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第三章 BSHC 混凝土裂缝自修复效果试验研究.... 36
3.1 引言 ........ 36
3.2 试验设计与试验方法........ 36
3.3 试验结果及分析....... 42
3.4 本章小结 ......... 63
第四章 BSHC 混凝土物理力学性能试验研究........ 65
4.1 引言 ........ 65
4.2 试验设计与试验方法........ 65
4.3 试验结果与分析....... 70
4.4 本章小结 ......... 82
第五章 结论与展望 ...... 85
5.1 结论 ........ 85
5.2 展望 ........ 86
 
第四章 BSHC 混凝土物理力学性能试验研究
 
4.1 引言
Sengul[64]等研究了膨胀珍珠岩对轻质混凝土基本力学性能的影响,研究发现随着膨胀珍珠岩掺量的增加,混凝土的抗压强度和弹性模量会逐渐降低。用膨胀珍珠岩按体积替代砂,替代率为 20%的混凝土相比替代率为 0%的混凝土抗压强度下降了 40%。试验结果表明,随着膨胀珍珠岩掺量的增大,混凝土的力学性能会逐渐降低。在第三章中,尽管采用膨胀珍珠岩固载微生物可以取得良好的裂缝修复效果,但由于膨胀珍珠岩具有多孔结构和脆性,即使通过包裹处理,筒压强度还是较低的,为确保所研制的裂缝自修复混凝土能够满足一定的工作性能要求和基本力学性能要求,在混凝土中加入硅灰和聚丙烯纤维等增强力学性能的材料,考察微生物掺入方式、水胶比、硅灰掺量、膨胀珍珠岩掺量、膨胀珍珠岩粒径、聚丙烯纤维掺量等参数对混凝土物理力学性能的影响。
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结论
 
本文以膨胀珍珠岩作为载体固载好氧嗜碱芽孢杆菌(Bacteria.H1)或乳酸钙,利用微生物的矿化沉积能力,研制出一种基于微生物矿化沉积的裂缝自修复混凝土。本文主要对自修复颗粒的制备和性能,混凝土的裂缝自修复效果以及物理力学性能进行试验研究,得出如下结论:
(1)采用偏高岭土地聚合物和水泥浆包裹的膨胀珍珠岩堆积密度分别是无包裹的2.41 倍和 2.37 倍,筒压强度分别是无包裹的 2.97 倍和 2.70 倍,1h 吸水率分别相比无包裹的降低了 83%、80.9%,同时 24h 吸水率分别降低了 66.9%、62.7%,体积漂浮率分别降低了 13.7%、10.5%。偏高岭土地聚合物的包裹层厚度比水泥浆的明显要更厚。通过SEM 电镜扫描发现,两种包裹材料均可以将膨胀珍珠岩包裹完全,用水泥浆包裹的膨胀珍珠岩表面相比偏高岭土地聚合物包裹的表面更加平滑均匀。
(2)菌体掺入方式影响因素下的裂缝修复的大体规律为膨胀珍珠岩载菌>陶粒载菌>直接掺菌>普通,以膨胀珍珠岩载菌的试块裂缝修复率最高,28d 最大裂缝修复宽度为 0.79mm;修复龄期 28d 以后,掺量为 90%的混凝土试件相比掺量 30%、50%、70%试件能显著提高裂缝修复效果;包裹材料影响因素下的裂缝修复率规律为无包裹组>水泥浆组>偏高岭土组;在裂缝修复后期,以膨胀珍珠岩载菌并以膨胀珍珠岩载乳酸钙能取得更好的修复效果,以膨胀珍珠岩载乳酸钙试件相比直接掺入乳酸钙试件能提高裂缝修复率;载体粒径对混凝土裂缝修复效果影响较小。
(3)随着硅灰掺量的增大,劈裂抗拉强度、抗压强度、拉压比逐渐增大,混凝土脆性逐渐降低。当膨胀珍珠岩掺量占混凝土体积比为 0%~90%时,混凝土立方体抗压强度、表观密度、劈拉强度随着膨胀珍珠岩掺量的增加而降低,拉压比随膨胀珍珠岩掺量增加,先减小后增大。掺入包裹偏高岭土地聚合物膨胀珍珠岩的混凝土和掺入无包裹的表观密度、抗压强度较为接近,掺入包裹水泥浆膨胀珍珠岩的混凝土相比掺入无包裹的表观密度、抗压强度有一定提升。随着聚丙烯纤维掺量的增大,抗压强度逐渐降低,劈拉强度逐渐增大,拉压比逐渐增大,混凝土脆性逐渐降低。
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参考文献(略)
(责任编辑:gufeng)
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