现代建筑砂浆生物矿化实验研究

  本篇论文是一篇建筑硕士论文范文，利用铝酸盐水泥砂浆代替近现代建筑灰浆模拟现场情况进行修复试验。在修复过程中为使菌液与胶结溶液更均匀、更深地进入试块内部，修复方法选择将试块浸泡后烘干、再浸泡的处理方式。通过对铝酸盐水泥砂浆试块的修复成果研究，来证明该技术运用在建筑灰浆修复工作中的可行性。

  1.1  选题背景及意义

  我国悠久历史创造了灿烂的建筑文明，人类经过几千年社会活动遗留了许多具有历史、艺术、科学和社会价值的遗物或建筑遗迹，这些历史遗留的智慧结晶是不可复制的珍贵文化资源，也是中华文明发展至今的见证。在近现代建筑体系的灰浆多由水泥材料建筑居多，作为传统建筑材料起到重要的胶结和支撑作用。但中原地区夏季多雨、冬季寒冷气候对暴露于外界的灰浆易产生负面影响，失去胶结能力导致砖石粘结不牢而破坏，进而引起结构整体安全性能下降。如图 1-1所示为现存近现代建筑形态，由于没有得到妥善保护而破败，故对近现代建筑灰浆修复工作已迫在眉睫。对于近现代建筑破坏的保护而言结构强度低于现代建筑，不能仅用现代建筑保护技术进行修复保护。应针对相应近现代建筑材料特性，在不改变原有建筑基础上，选择最合适的修复技术，在强度提升前提下达到修复的目的。近现代建筑墙体多由砖和砌体材料组成，由灰浆进行粘结，随着时间的变迁及外界条件的腐蚀风化，灰浆强度大幅下降，对建筑整体有很大影响。因灰浆内部分布着大量彼此连通的毛细孔，具有较强吸水性，当外界水接触墙体时，通过墙砖及灰浆的毛细孔隙进入墙体内部，在冬季负温作用下，孔隙内的液态水会结晶凝固体积膨胀，对孔隙壁附加压力，随着压力逐渐增大，对孔隙壁的破坏逐渐加深，最终造成孔隙壁破裂。为使修复工作顺利开展，查阅了近现代建筑修复相关文献，以及对现存建筑灰浆的特点、组成成分、细腻程度、干缩性、吸水后的膨胀形态、p H值、力学性能以及盐渍腐蚀等性质的调查工作，尝试利用现用胶凝材料对近现代建筑灰浆进行替代，由于配置的灰浆的p H值很大，呈强碱性，且碱性环境对MICP技术的菌液影响较大，无法完成后续试验的开展。为探索近现代建筑灰浆的修复方法，考虑主要因素，忽略次要影响因素，通过对比不同水泥、石灰的初步试验后，选择铝酸盐水泥配制灰浆进行项目的研究，其p H为10左右、干缩性慢、吸水后微膨胀、力学性能较高并且抗盐渍腐蚀性较强，更能体现出现存建筑灰浆的特点。。本文以现阶段保留的建筑灰浆各项性质为研究出发点，选择铝酸盐水泥砂浆代替近现代建筑灰浆进行研究，讨论最佳修复条件及方法。

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  1.2  MICP 技术作用机理

  本文所用 MICP 技术是一种自然生物矿化作用，优点在于修复深度深、修复强度大，环境友好污染性小、能直接作用于建筑本身，提升材料耐久性及强度。该技术主要是利用巴氏芽孢杆菌对尿素水解作用，分解出碳酸根离子，与游离钙离子结合产生碳酸钙沉淀进行修复。巴氏芽孢杆菌是一种在土壤中的嗜碱性细菌，有较强的环境适应能力。主要以尿素为能量来源，通过自身新陈代谢活动产生大量脲酶，将尿素水解成 和。细菌细胞壁特殊结构使得细菌表面通常带有负电荷，并不断吸附周围溶液中 ，聚集在细菌细胞外表面，同时扩散到细胞内部的尿素分子在细菌产生的脲酶作用下不断分解出 ，运输到细胞表面，从而以细胞为晶核，在细菌周围产生碳酸钙结晶，在整个微生物矿化反应中，巴氏芽孢杆菌起到两个核心作用：一是通过自身代谢脲酶为尿素分解提供条件；二是为碳酸钙晶体的形成提供晶核。由于上述过程中脲酶水解尿素产生了 ，使得环境 p H 值升高，脲酶表现出对尿素更高的活性和更强的亲和力，这也促进了碳酸钙晶体的形成。

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  2 微生物的活化与培养

  3.3 不同因素正交试验

  3.4 浸泡次数梯度试验

  3.5 浸泡时间梯度试验

  3.6 近现代建筑灰浆疏水材料处理

  3.7 本章小结

  4.1 引言

  4.2 宏观试验分析

  4.3  微观试验分析

  4.4 本章小结

    本文利用铝酸盐水泥砂浆代替近现代建筑灰浆进行室内模拟修复试验，选择巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉淀的修复方式，对铝酸盐水泥砂浆试块进行改良修复。通过对微生物的活化培养及最佳矿化条件的筛选后，运用到下面 MICP 技术修复试块试验当中，再经宏观与微观试验对处理前后试块性能进行研究，对试块各项性能的提升原理进行分析，得出以下结论：（1）对微生物干粉进行活化和扩大培养后，通过不同菌液与胶结液比例、不同胶结液浓度、不同氯化钙浓度、不同菌胶比、不同 p H 等条件下寻找碳酸钙沉淀量最大值发现，当菌胶比为 1:1、胶结液浓度为 1mol/L、菌液与氯化钙混合后氯化钙浓度为 1mol/L、菌液与氯化钙比例为 1:1、p H=10 时，碳酸钙沉淀量最大、效果最好。（2）利用 MICP 技术对铝酸盐水泥砂浆处理分为两部分，第一部分利用菌液与胶结液交替浸泡处理，每次浸泡后烘干再浸泡使修复溶液更好进入试块内部，首先通过正交试验证明 MICP 技术对建筑灰浆修复的可行性。随后通过处理次数和时间试验发现，随着浸泡次数从 2 次到 8 次与浸泡时间从 10min 到 40min 发现，试块强度分别增加了67.7%和 25%，可见随着处理次数和时间的增加，对试块强度的提升是有益的。第二部分利用疏水材料对经 MICP 技术处理后试块进行二次处理，使灰浆的亲水性减弱，耐水性增加进而耐久性增加。（3）对处理后试块抗折强度、韧性、软化系数、质量吸水率等宏观性能的试验发现，经处理的铝酸盐水泥砂浆试块抗折强度提高了 81.3%、韧性提高了 26%，关于 MICP技术对试块的水理性质的提升，通过软化系数和质量吸水率的研究发现，试块的软化系数较未处理时提高了 10%、质量吸水率降低了 47.8%，证实了 MICP 技术对试块强度的提升和耐水性的改善起到了关键作用。（4）通过 SEM 扫描电镜分析，探究内部形貌变化发现，经 MICP 技术处理后试块内部空隙明显减少，结构更加致密。对电镜图片进行分析、计算图中颗粒面积发现，随着矿化次数增加图中碳酸钙堆积越来越多。利用 XRD 单晶衍射和 IR 红外扫描试验对处理后试块分析发现，沉淀在试块内部形成，试验过程并没有对试块原有的化学成分造成改变和破坏，印证了 MICP 技术能在不破坏原有材料的情况下更深层的修复优势。综上所述，MICP 技术是一种新型修复技术，处理得当的情况下，能很好的提高近现代建筑灰浆的力学性能、耐久性能和水理性能等，也能对材料内部结构的致密性、颗粒间空隙的填充起到很好的作用。使用该技术对建筑灰浆进行修复，能满足其原位修复和不损害原有建筑进行修复的原则，且该技术在实际工程中容易实现，修复效果也能满足建筑保护的要求。本论文对劣化建筑灰浆进行模拟修复试验，已经取得了一定试验成果，但由于近现代建筑灰浆已经存在一定时间，有些许特殊性和复杂性，存在较多问题未能解决，因此本文的研究内容仍然存在许多不足之处，由于个人能力和时间关系，只能在文章最后提出在研究过程中需要解决的问题：（1）本文运用铝酸盐水泥砂浆代替近现代建筑灰浆进行试验研究，虽然两者材料性质多处相同，但还存在差异。若利用现在已知材料进行堆砌，无法确定其性质是否改变，也无法从原有建筑本身进行大量取样研究。所以这些差异是否对试验过程有所影响没有得以印证，而且在原有建筑本身进行修复试验困难较大，如何在试验室内对代替材料进行修复更能体现出 MICP 技术的实用性及可行性，还需要继续探讨。（2）本文试验利用 MICP 技术使砂浆试块强度得到提升，根据不同的处理条件比如不同浸泡时间、不同浸泡次数等进行研究，但之间是否存在耦合关系，本文没有深入探究。且对 MICP 技术修复的机理没有进行详细分析，考虑到是否有其他因素对强度的影响等问题，后续可对在不同环境条件下进行 MICP 修复试验进行全面分析，筛选出对试块强度影响较大的因素进行全面分析。（3）本文对水泥砂浆试块的试验是在室内条件下进行，模拟室外建筑灰浆的赋存环境进行了一系列试验，并未针对其建筑本身存在的环境如冷暖交替、日照、雨水侵蚀、冻融破坏等多种因素不规则作用造成的破坏进行研究，下一步可对处理后试块进行抗老化、耐酸碱、抗盐渍破坏等劣化试验入手，探讨 MICP 技术是否对这些劣化原因有一定的抵抗作用。因此本文的研究结果和实际修复工程还存在一定的差异。具体到实际工程中，如何通过 MICP 技术对大型建筑进行修复，还需要继续研究。