文摘

最常用的建筑材料在建筑业是混凝土。然而,混凝土的弱特征是其低延性和张力能力有限,因此裂纹发展与负载的增加。入侵这些裂缝越来越恶化的水和盐的成分,因此造成恶化,降低了材料的寿命。本研究聚焦于一个创新的方法来降低混凝土的裂缝和利用微生物方解石(CaCO缺陷₃)降水(MICP)兴奋不已大肠杆菌(大肠杆菌)细菌提高胶结建筑材料的性能。微生物的研究调查了发展混凝土在白开水里只使用一种文化密度(OD600 0.5±0.1)。在这项研究中,两个water-to-bacterial混合比率(75:25 - 50:50)使用,相比传统的混凝土(100:0)。100毫米cube-sized标本治愈一段7,28岁,90年,和365天还进行了抗压强度,吸水能力,超声波脉冲速度(UPV)和SEM分析,定期进行样品。根据这些实验的结果,微生物混凝土50:50比表现出所有固化时间的最高强度。吸水试验的样本,发现材料的吸收减少了由于微生物的灌注混凝土。另一方面,UPV测试显示高速度比控制样品标本OD600 0.5±0.1。扫描电子显微镜(SEM)分析在年龄上执行不同的混凝土组28天显示更少的空洞的混凝土块由于增加水替代率由微生物引起的文化。

1。介绍

混凝土是可回收的,它是一种被广泛接受和普遍使用的建筑材料。是持久的,强大,局部可用,多才多艺,有极好的压缩加载阻力,直到极限。然而,混凝土的开裂荷载低于破坏载荷(1),它是可以接受的,直到某一极限(2]。钢筋混凝土中用于传播力量,如果裂纹存在,它会导致腐蚀(3,4]。在实践中,混凝土的裂缝也降低耐久性,渗透率,混凝土的强度。在冬季极端情况下,情况也会恶化水冻结这些裂缝和渗漏,并导致差距的不断扩大3]。总是必要的修理这些裂缝,因为微小的裂缝会导致massive-sized镜头和缩短混凝土的使用性能极限。解决问题可以复杂如果损害发生的地方,这是很难达到。修复混凝土裂缝,介绍了几种传统的修复系统,但是他们非常昂贵和不自然。

自修复混凝土是一种新型的混凝土,能够自动修复裂缝。就像身体的愈合伤口分泌的体液。在自我修复的各种方法中,最常见的方法是生物修复、自然修复、化学修复过程。生物修复可以通过添加细菌的具体实现。自修复混凝土、细菌以及使用钙营养称为乳酸钙。这个产品然后添加在准备混凝土混合物在潮湿的条件。这些诱导细菌可以在200年,成为活跃不活跃的阶段就接触水渗入混凝土的裂缝。这个启动细菌孢子的萌发,以乳酸钙消耗氧气。这个过程将可溶性乳酸钙转换为不溶性石灰岩。这个石灰岩被硬化时,裂纹被填满(4]。这种方法添加细菌的混凝土被称为直接法和是最常见的自修复混凝土的制造方法。这是最简单和便宜的方法与其他方法相比,即封装方法,尽管自修复混凝土的成本通常是高;然而,混凝土自修复机制可以减少成本通过消除需要昂贵的修复混凝土或新混凝土,提高结构的耐久性。各种物理和化学治疗至今已尝试保护混凝土不受伤害,但很少被证明是完全兼容的不可逆的行动和可持续性。因此,生物技术的使用可能会专注于(5]。微生物方解石沉淀(MICP)是一种方法,可以用来解决开裂问题,可以帮助获得持久和环保混凝土(6]。

图1显示实际的图像裂纹愈合过程的不同区间,这显示了裂缝宽度的逐渐减少的时间(0天、1周、2周,等)由王et al。7]。裂缝几乎完全由3周愈合。裂缝可以独立筛选到1毫米宽,这取决于剂量的细菌,并且lactate-based营养。0.4毫米大裂缝的自治防水是足够剂量的15公斤/米³每米auto-healing代理³混凝土的混合(图2)。

自修复混凝土可以说明混凝土,修复自身的能力回到原来的状态。绿色科技,自发细菌嵌入混凝土和修复裂缝。由于这种技术使用的材料可以在实验室中生长,它不给自然资源带来危险。因此,这种方法可以有效的技术的提高混凝土的强度(9]。

细菌对裂缝的影响和自我修复治疗提供更清洁、更可持续、更持久的材料和降低成本的长期修复裂缝。通过减少吸收、渗透和扩散的关键机制进行混凝土,混凝土的耐久性可以增加(10]。几项研究已经记录了生物修复剂对渗透率的影响和混凝土的吸水率。混凝土结构裂缝可以减少细菌的存在可以看到从以前的文学描述。袍et al。11)使用大肠杆菌菌株对混凝土混合和建议的测试,提高混凝土强度和水泥砂浆的数量可以减少使用微生物在不影响强度。

Safiuddin et al。12]研究了混合的效果枯草芽孢杆菌和大肠杆菌对所需的时间裂缝混凝土的缓解和力学性能通过混合水泥的重量百分比。结果表明,3%的枯草芽孢杆菌是自修复混凝土的最佳剂量,而大肠杆菌混合水泥剂量的3%按重量会增加60%的力量。

微生物的应用混凝土长期以来一直研究的问题(13- - - - - -15]。徐et al。16)使用多孔陶粒颗粒作为微生物载体应用热处理和氢氧化钠浸,发现热处理可以改善陶粒的加载内容没有降低混凝土强度。

Zhang et al。17]研究了混凝土裂缝愈合能力使用两个微生物财团在厌氧(MC-Aa)和缺氧(MC-Ao)条件和neurolytic纯培养细菌(杆菌cohnii)。冯et al。18)进行了三点弯曲测试通过形成0.3毫米宽度裂缝梁底部,发现微裂隙被方解石沉淀愈合由于细菌代谢活动。Mondal和戈什19)研究了不同级别的细菌枯草芽孢杆菌的浓度和得出结论,随着细菌剂量的增加,裂纹愈合也有所改善。Algiafi et al。20.]研究了尿素水解的影响因素和细菌生长,碳酸钙沉淀在混凝土裂缝可以建模。作者还得出结论,自我修复细菌可以未来的可持续策略延长混凝土寿命。维贾伊和伽21]研究了枯草芽孢杆菌菌株细菌的影响具体的乳酸钙的补充。Nirala et al。22)使用大肠杆菌细菌以5%,10%,15%,质量和观察裂缝愈合,改善抗压和抗拉强度的养护期7天。Sumathi et al。23)实现裂缝显著的治疗1个月时使用枯草芽孢杆菌细菌。相反,Balam et al。24)实现约90%的表面使用杆菌治疗28天岁cohnii文化由105个细胞的速度/毫升。Vahabi et al。25使用高标号混凝土枯草芽孢杆菌细菌浓度为10毫升,20毫升,30毫升,观察治疗具体的属性。徐et al。26)使用Sporosarcina巴氏105细胞/毫升的浓度,表明吸水时减少四倍美国巴氏是礼物。细菌方解石沉积导致大约8倍减少氯离子渗透性,延长混凝土的生活。徐et al。27]研究了影响钢筋混凝土的裂纹愈合的潜力与ureolytic微生物修复剂固定在多孔陶粒颗粒,发现细菌可以治愈450µm在120天内裂缝。

在微生物诱导碳酸钙沉淀(MICCP)或微生物方解石沉淀(MICP)通过尿素水解,产生大量的碳酸盐迅速通过ureolytic微生物。尿素水解酶通过脲酶在富含钙的大气研究通常是因为它的简单性。

尿素分解成碳酸铵是放大的微生物酶的化学过程在方程(1)和(2)。很明显的化学反应一摩尔尿素水解细胞产生一摩尔的氨和一摩尔的氨基甲酸酯,然后自然水解生成1 mol氨和碳酸。

在与水接触时,pH值增加这些分子然后分成碳酸氢盐和氢氧根离子:

这期间发生的一系列事件ureolytic观察钙化哈姆和•韦斯特拉特(28),强调更多的pH值和钙代谢的作用。各种生理过程(28)创建一个碱性环境的刺激细菌。图3描绘了一系列事件发生在微生物诱导碳酸盐沉淀(MICP)。带正电的阳离子(例如,Ca^{2 +}和毫克^{2 +})吸附在细胞表面由于成核区域由异构的电负性细菌细胞膜加载。pH值中性环境中促进各种阴离子的存在(负电荷)组,而这些阴离子电荷得到主要的分泌,引起细菌细胞表面的二价阳离子(带正电)交互。如方程式所示4- - - - - -5,细菌细胞膜CaCO起着至关重要的作用₃沉淀成核的网站。

微生物作为成核的网站,协助方解石的形成,可以逐渐密封在混凝土裂缝和孔隙,改善其耐久性。这种微生物方解石沉淀(MICP)是一系列复杂的生物过程的产物。这个过程会导致CaCO的形成₃晶体形式,扩大和发展作为细菌产生乳酸钙营养。晶体生长,直到整个空白填满。因此,这种自然和生化方法增加混凝土的可持续发展。

然而,细菌沉淀的主题仍然是可疑的。一些研究人员认为,降水确实是意外发生的新陈代谢的副产品。无论其他人认为,这是一个不同的环境现象,可以对人类是有益的29日,30.]。

然而,基于过去的研究总结,当前的研究介绍了混凝土的破碎与获得的结果UPV和吸水试验包括扫描电镜分析大肠杆菌微生物文化与水混合比例与正常相比水。直接应用方法,细菌、细菌孢子和乳酸钙直接添加到混凝土水泥混合时完成。利用这些微生物和乳酸钙并不能改变水泥的典型特性。在水与这些微生物时,他们开发和乳酸钙和石灰岩。因此,裂缝是固定的。但在一个封装方法的情况下,细菌孢子与封装营养添加具体的矩阵。因此,直接应用方法为本研究选择的从容。

另一方面,大肠杆菌,否则称为大肠杆菌一微米革兰氏阴性,non-spore-forming细菌通常发现下消化道的温血动物生命形式。插入的主要好处大肠杆菌细菌在混凝土是它不断催促CaCO₃。积极增加抗压强度测试结果的大肠杆菌在混凝土也由过去的研究人员包括Vijay et al。3]。因此,大肠杆菌细菌是用于研究和两个任意比例(75:25 - 50:50)平原水微生物文化选择的有效性大肠杆菌细菌在混凝土。这项研究旨在看到细菌注入混凝土的影响提高裂缝和保持良好的抗压强度。

2。材料

普通硅酸盐水泥(OPC) ASTM 1型符合ASTM c - 150被选为胶结材料在实验工作。本地可用自然砂经过4.75 mm筛和保留在0.075 mm筛作为细骨料,与碎石的公称尺寸12.5毫米被选为这个实验的粗骨料。

本研究使用大肠杆菌(大肠杆菌)的细菌以二氧化碳为食,而不是传统的饲料糖和其他有机物。大肠杆菌是一个著名的细菌在现实世界中还有许多其他用途像合成有用的化学物质,如胰岛素,创造人类生长激素的合成形式。这种细菌可以侵入到混凝土裂缝和潜伏多年甚至在高温下。它是一种无毒的细菌繁殖迅速通过分割方法,根据研究。因此,这种细菌的优势之一是它很容易文化在很短的时间内。普通水的pH值7和零浊度被用于这项研究。Sylhet砂吸收能力的2.78%,比重2.51作为细骨料,而本地可用的石头比重为2.74和2.33%的吸收能力作为粗骨料。

3所示。实验的程序

3.1。细菌培养的准备

大肠杆菌细菌被用在这个实验中,收集到的微生物学另一个当地大学的部门。媒体使用营养肉汤,由蛋白胨、牛肉膏,一个轻微的氯化钠。所有作文材料被在一个锥形瓶300毫升的量,然后与水混合,制备营养肉汤搅拌缓慢。让媒体无菌,媒体在消毒灭菌锅灭菌完全两个小时。大肠杆菌孢子被注入准备的媒体用一根针。spore-injected媒体当时住在冰箱里通过维护一个环境温度。这个过程允许细菌生长以二分裂的方式。细菌的生长周期和发芽时间有助于确定细菌的浓度。

下一阶段是对不同细菌群体进行调查。然而,这些步骤之前,准备样品的性质已经确定。光密度(OD)测量细菌培养是一种常见的技术用于微生物学。分光光度计通常用于测量光密度,实际上措施有多少光分散的文化。以前的文献表明,细菌培养有光密度的混凝土OD600 0.5±0.1更好强度(31日]。基于这些研究,本研究使用了一个OD值为600 0.5±0.1。

一般来说,在分光光度计波长可以设置从420到660纳米。在这项研究中,一组波长600 nm的跟踪的增长大肠杆菌。至关重要的是,细胞在一个极好地增长的生理过程。估计吸光度和菌落(CFU)之间的关系(可行的细菌的数量在一个示例)可能不同的细胞大小与不同生长阶段(滞后、日志和文具)。细胞的浓度与光密度不同,因此预计使用以下关系: 在哪里X是看光密度600海里,Y是每毫升细胞浓度。

图4代表整个过程相关的细菌培养的准备。

3.2。具体的样品制备

多维数据集的样本尺寸100毫米×100毫米×100毫米是按照ASTM标准程序使用混合比例获得适当的混合设计。混合料配合比设计进行了两个强度要求:25 MPa和35 MPa。水泥:细骨料:粗骨料two-strength类别的比率是1:2.091:2.276,1:1.43:1.8水灰比为0.5和0.395,分别。细菌培养基包含所需数量的微生物与水混合使用液体物质。两个水:微生物文化比率为75:25(75%的水和25%的微生物文化)和50:50(50%的水和50%的微生物文化)。准备混凝土涌入铸造模具,从模具后24小时内删除。准备样品后,他们在白开水治愈各种时间跨度。

3.3。混凝土强度使用超声波脉冲速度(UPV)测量

混凝土内部质量的样品可以使用UPV测试评估。高速度表明混凝土一致性强,这可以归因于密度、均匀性、同质性、和其他因素。试件,UPV测试是由把一个立方体的一侧脉冲发射机和接收机。传统的速度之间的关系,时间和距离,如下所示用于计算超声波脉冲速度 在哪里l距离传感器,T是运输时间。

3.4。吸收的水浸法

混凝土的吸水率测试样本测量使用ASTM C1585和ASTM C642方法。 在哪里W₁SSD样品的重量,W₂是烘干的重量。

3.5。使用扫描电子显微镜(SEM)分析

SEM分析观察和分析传统混凝土和之间的微观结构的变化大肠杆菌生成的混凝土。粉末样品都是从每个示例的核心扫描电镜检查。进行了SEM分析根据指导方针。界面过渡区(ITZ)是利用SEM研究观察细菌矿物的形成,它创建了一个填充效应的混凝土混合物。

4所示。结果与讨论

4.1。抗压强度测试结果

各种混凝土的抗压强度结果混合在不同养护年龄呈现在图5(一个)。

抗压强度测试结果在不同年龄显示趋势像预期的抗压强度随着年龄而增长。这种力量获得可能的形成归因于更多水化产品随着时间的推移,这提高了颗粒之间的结合。但强度增加的速度并不是所有标本和变化是显而易见的因为设计和材料的比例是不一样的。

从情节图那么明显5 (b),最高强度增益之间观察到7和28天。随后,强度增量变得逐渐。图也意味着25 MPa混凝土强度的增加超过了35 MPa混凝土。然而,当混凝土样本为90或365天的治疗,治愈35 MPa混凝土强度的增加超过了25 MPa混凝土。35 MPa年级时,抗压强度增加21.5%大肠杆菌细菌培养(50%)。另一方面,增加高强度水:细菌媒体比50:50比水:细菌媒体的比例75:25混凝土。然而,在所有情况下,细菌混凝土比普通混凝土的强度,这很可能是由于混凝土内部孔隙的填充矩阵的方解石沉淀的由于细菌注入。

4.2。超声波脉冲速度测试

图6(一)显示了设计UPV结果在不同养护年龄25 MPa和35 MPa的混凝土强度。类似于抗压强度,UPV值的标本上升增加年龄无论细菌剂量。因此,平均增益UPV值在365天养护对应于它的价值在28天为控制标本从16.21%至6.15不等。在细菌的混凝土,长期UPV改进为这件混凝土从16.49%至4.49不等,而它是3.81 -9.39% C35混凝土在365天相比,28天UPV值。养护期较长的样品,具体的组合充满了更多的水化产物,C-S-H,这导致更坚固,紧凑的内部结构。

这反过来又增加了速度自旅行所需的时间脉冲却降低了。

根据混凝土质量的方针,UPV高于4.5公里/秒意味着优质混凝土,而UPV范围3.5 - 4公里/秒指定质量好;UPV范围3 - 3.5公里/秒的指定介质质量;和低于价值具体的质量表示怀疑。

从图6 (b),很明显,混凝土介质样品质量正常的年龄以及微生物混凝土养护7天、28天。另一方面随着固化年龄的增加(90天,365天),混凝土质量提出了从媒体到优质混凝土25 MPa混凝土组。但是,35 MPa混凝土,它仍然还在中质范围除了公元前50:50-35 MPa岁365天。观察到的另一个趋势是,微生物的UPV价值混凝土比普通混凝土高,这意味着密集的微生物比普通混凝土的性质。

4.3。吸水能力测试液浸法

吸水率的测试结果如图所示7。

从图7(一)可以说,在混凝土中使用微生物减少材料的吸收。吸水率时观察到的函数养护天如图7 (b)可以说,吸水率降低随着时间的增加。吸水率最低的是观察到公元前50:50 35 MPa混凝土,这表明,随着细菌浓度的增加,减少水的吸收。这意味着微生物帮助混凝土更耐用。最大降低吸水率为17.60%大肠杆菌细菌培养(50%)。

4.4。扫描电子显微镜(SEM)分析

混凝土的微观结构的变化将增加大肠杆菌细菌可以通过扫描电镜分析研究造成。混凝土标准养护期的标本28天被从所有类型的样品(有或没有文化25 MPa和35 MPa混合),研究在不同的放大。数据8和9显示三个具体组的SEM形貌在28天。这表明细菌包含对混凝土的微观结构有显著影响。传统的混凝土(图8)显示大量的孔隙中具体的样本。孔隙水替代率的降低微生物文化上升。

细菌的入侵特性具体可能归因于紧凑的微观结构。很明显,混凝土的微观结构有相当大的影响材料的硬度和耐久性性能。孔隙减少微生物strain-infused混凝土混合物的确是更好的强度和耐久性的主要原因属性相比素混凝土。

混凝土的密实度高的原因包含微生物菌株也验证了扫描电镜分析。它表现出细菌中的方解石沉淀混凝土的存在,这意味着减少蛀牙和更紧凑的混凝土的存在。方解石沉淀检测领域的白斑在这些图像。白斑出现在这些照片的密度增加微生物的浓度增加。结果,它可以表示,混凝土混合料的密度组织主要负责混凝土的强度和耐久性的增加夹杂物的微生物菌株。

4.5。对比破坏性和无损检测结果

常见的破坏性试验确定混凝土的强度是样品的粉碎。另一方面,UPV是最简单的无损检测来确定抗压强度。力量来自这两种方法的比较提出了部分。

试验结果表明,UPV和混凝土混合料的抗压强度是影响细菌剂和固化的年龄。实验调查进行了固化7岁,28岁,90年,365天。建立UPV和抗压强度之间的关系,所有数据点都合并在一起,商议,如图10。策划的测试结果表明,抗压强度与UPV是线性相关。系数测定R一般关系的是0.88这件和C35混凝土混合比例。这代表UPV的抗压强度的变化是通过线性关系。

4.6。抗压强度的预测模型

非线性回归分析以95%的置信度进行了确定混凝土的强度标本为不同年龄和不同比例的水细菌媒体。

发现的实证关系的分析如下: 在哪里zMPa的抗压强度,x水的比例是细菌媒体,y在天标本的年龄。因为有两种不同类型的组合设计,分析两组数据分别进行系数一个= 2.84,b= 7,c= 9.18,d=−0.395,e25 =−0.754 MPa混凝土和一个= 2.25,b= 12.03,c= 13.4,d=−1.16,e=−1.11 35 MPa混凝土。发现错误的百分比是1.6%,明显低于5%。这两种情况下的实际与预测的优势是图所示11。图12显示了这两种情况下的响应面,使用MATLAB软件被开发出来。

模型的拟合优度的系数可以通过访问访问决心(COD),也就是说,R方(R²)值。

如果一个数据集n值标记y₁、…y_n(统称为y_我),每个人都与一个预测值相关联f₁、…f_n(被称为f_我),然后剩余可以写成

观测数据的均值是

然后,R²值可以使用以下公式:

COD值是0.99,和一个值接近1表明较高的效率和较低的实际模型的差异。

残差平方和(RSS)是另一个衡量优秀的回归曲线。它的平方之和的估计错误(21]或实际数据之间的差异和一个估计模型中表达(13)。一个小RSS是指模型的紧密配合。

对当前预测模型,RSS的平均值(5.4)证实,该模型有效地预测抗压强度。

5。结论

本研究的主要目的是研究微生物的性质具体使用大肠杆菌细菌在混凝土混合料的自愈能力,因此可以耐久的混凝土是一个很好的解决方案。

的细菌培养并没有显示任何不利影响发现的破碎抗压强度高于普通混凝土在当前的研究中研究参数。的最优比例的水细菌培养基,发现细菌的剂量越高,性能越好,50%的细菌培养基展品更好的结果比25%的细菌培养。

另一方面,无损UPV测试也表明,微生物组比普通混凝土更紧凑,这意味着微生物有效生产密实混凝土结构。从吸水试验获得的结果也支持这一发现,这表明,在混凝土中使用微生物降低材料的吸收,这意味着更少的孔隙度和因此密集的混凝土结构。由于化学作用形成的碳酸钙沉淀的空洞让表面更紧凑,因此,这也提高了结构的稳定性由于液体和离子吸收引起钢筋腐蚀是预防。

SEM测试也表现出更少的孔隙微观结构的混凝土高细菌培养基。

抗压强度之间的线性关系是建立发现从破坏性试验和速度发现无损UPV测试。从这两个比例的细菌注射的结果,可以说,使用大肠杆菌(50%的细菌培养)OD600 0.5±0.1表现更好,使用该比率将促进耐久混凝土的生产,进而可以降低成本,因为它消除了铸造新混凝土的必要性。力量支持的临床实验数据通过预测模型和模型的适合发现接受的实用目的。

数据可用性

可用的数据将从作者要求。

信息披露

这个手稿的文摘是ACI混凝土2021项目的竞争。

的利益冲突

作者宣称他们没有竞争的经济利益或个人关系可能出现影响工作报告。

确认

作者感谢金融支持对这项研究由吉大港大学工程和技术部门研究和推广的格兰特没有:CUET /衣服/ 2021 - 22 / CE (041)。