西交利物浦大学研究人员利用细菌增强混凝土的抗冻融性

　　混凝土是建筑中最广泛使用的材料之一。然而，随着城市化进程加快，诸如沙子、碎石等用于与混凝土混合的天然骨料已供应不足。尽管再生材料可以取代天然材料来生产再生粗骨料混凝土(RCAC)，但它们可能会引起各种问题。尤其在寒冷地区，日常的冻融循环会损坏混凝土，造成安全问题。

　　在最近发表于《清洁生产杂志》(Journal of Cleaner Production)上的一篇论文中，西交利物浦大学土木工程系的研究人员将反硝化细菌加入到再生粗骨料(RCA)中，增强了混凝土的强度和耐久性。经过处理的再生粗集料混凝土可以承受多达 225 次的冻融循环，比未经处理的混凝土要多 75 次，尤其适合在寒冷地区广泛使用。

　　传统方法不可持续

　　论文的通讯作者 Chee Seong Chin 教授表示，改善混凝土抗冻融性的传统方法从长远来看是不可持续的。“传统方法包括降低水灰比、增加化学掺合物，实质上增加了化学物质的使用，会给可持续发展带来不利影响。”

　　“相比之下，我们提出对环境友好的解决方案，使用了反硝化细菌，这其中既不包含也不会产生有毒或污染性物质。”他说。

　　更少的吸水率

　　Chin 教授表示，要提高再生粗骨料混凝土的抗冻融性，降低吸水率至关重要。

　　在冻融循环中，水会渗透到混凝土里，并在结构中产生裂缝，降低其耐久度。这是因为水结冰时体积膨胀，水越多，膨胀越大，而膨胀越大，损害就越大。“再生粗骨料结构松散，孔隙率高，如果不经过细菌处理就直接使用到混凝土中，势必会增高吸水率。而反硝化细菌可以堵住水进入的孔隙，有效地将混凝土内部的自由水吸收量减少 33%。”他介绍，这种方法能从外部阻断吸水，从而减少内部的膨胀。

　　更稳定的结构

　　Chin教授表示，细菌还可以通过创造更稳定的结构，来提高混凝土抵抗水冻膨胀的能力。“再生粗骨料混凝土中的孔隙会被反硝化细菌产生的碳酸钙晶体填满，更密集的结构能降低冷冻水的膨胀效应。”

　　“我们的实验表明，反硝化细菌可以将抗压强度和拉伸劈裂强度分别提高 30.3%和 20.3%。此外，细菌在生物矿化过程中会消耗掉多余的氢氧化钙，使混凝土更耐冻。通常来说，骨料和水泥基体之间的氢氧化钙对强度和耐久性会产生不利效果。”

　　Chin 教授表示，尽管这种新方法显著提高了再生粗骨料混凝土的抗冻融性，但还需要进一步的研究，通过使用纳米材料或其他具有生物矿化方法的水泥基材料来提高抗冻性。“日后的研究还需要考量经济成本，并用生命周期评价法来量化环境影响。”

　　该研究小组由来自西交利物浦大学土木工程系的刘作为、Chee Seong Chin 教授和夏骏博士组成。(顾秋萍 钱懿 张蔚)