MICP修复混凝土裂缝过程模拟分析.pdf

3232023年4月江西建材工程技术与应用MICP修复混凝土裂缝过程模拟分析梁海生潍坊市建筑业发展服务中心，山东潍坊261000摘要：文中利用COMSOLMultiphysics仿真软件建立了混凝土裂缝模型，监测了微生物和尿素在修复过程中的时空分布情况，为更准确地预测MICP技术在混凝土裂缝修复中的效果奠定了基础。关键词：数值模拟；MICP；CO M SO L中图分类号：TU528文献标识码：A文章编号：1 0 0 6-2 8 9 0（2 0 2 3）0 4-0 3 2 3-0 4Simulation Analysis of the Process Simulation ofRepairing Concrete Cracks with MICPLiang HaishengWeifang Construction Industry Development Service Center,Weifang,Shandong 261000Abstract:This study used COMSOL Multiphysics simulation software to establish a concrete crack model and monitored the spatiotemporaldistribution of microorganisms and urea during the repair process,laying the foundation for more accurate prediction of the effectiveness ofMICP technology in concrete crack repair.Key words:Numerical simulation;MICP;COMSOL0引言混凝土材料在当今土木工程行业占据着重要地位，各种住宅都能见到它的身影。但是，由于其自身的材料特性，导致混凝土结构在使用期间容易产生裂缝。微生物的矿化作用在自然界中十分常见，可分为控制矿化和诱导矿化，前者矿物形态与细菌种类相关具有专一性，如趋磁性细菌矿化沉积磁铁矿，颗石藻和硅藻生成的硅石 2-3)；后者矿物形态与细菌种类无关，矿物的形成取决于菌种营造的环境因素 4。碳酸钙沉积是由微生物诱导产生的，环境因素对矿化产物类型有较大影响 5。Boquet等 6 最早揭示了土壤中的微生物诱导生成碳酸钙晶体沉积物的过程，并认为在合适的环境下大多数微生物都能矿化生成碳酸钙沉淀，经研究发现 7 碳酸钙沉积的影响因素主要有以下4个：Ca2浓度；溶解无机碳浓度、环境pH值、成核位点数。研究发现，脲解型MICP的反应机制简单直接，容易控制，能够迅速诱导生成大量碳酸钙。近年来，脲解型MICP逐渐成为微生物矿化技术的主流，本文建立的混凝土裂缝修复模型基于脲解型MICP作用机理。参与脲解型MICP的微生物一般是尿素类菌种，能够产生脲酶将尿素水解产生CO,和NH4,随着NH4的增加，环境pH值不断升高，从而使CO,转化成CO，。urease2NHA*+CO32CO(NH 2)2+2H2 0(1)尿素水解后，当环境中存在游离的Ca2+时，Ca2*会被菌体细胞中带负电的细胞壁吸引，当Ca2浓度和CO-浓度达到利于碳酸钙沉积的程度，便会发生CaCO，晶体沉积。作者简介：梁海生（1 9 7 3-），男，山东潍坊人，本科，工程师，主要研究方向为土木工程。CO3+Ca2+CaCO31(2)结合式1 和式2，可以得到MICP反应总方程式。2+urease+CO(NH2)2+2H2O+Ca2NH4+CaCO,(3)在脲解型MICP反应过程中,CaCO3的胶结作用与细菌的吸附作用相关，细菌吸附在砂颗粒表面时，会生成许多碳酸钙晶体胶结砂颗粒。细菌的吸附能力取决于许多因素，如多孔材料的孔隙类型、表面粗糙度以及细菌的亲水性等 8 。MICP技术因其环保经济的特点，被学者们将其应用在许多领域，上世纪末，Ferris等 9 就利用巴氏芽孢杆菌对油田裂缝进行封堵，减少了原油外流，极大地增加了原油开采效率。2 0 0 1年，Ramachandran等 1 0 1 利用微生物矿化技术，制备了常规水泥的替代品。钱春香等 1-1 2 通过巴氏芽孢杆菌诱导碳酸钙沉积技术对大理石文物表面进行防护，提高了文物的抗侵蚀能力。Gollapudi等1 3 利用巴氏芽孢杆菌和砂的混合物有效填充砂柱孔隙，经研究发现，这是由于微生物的诱导矿化作用促进了碳酸钙的沉积。MICP技术修复混凝土裂缝时，需要确定一些注浆参数如注浆时间、浆液浓度等，预测裂缝中菌液和胶结液的运移、反应速率以及CaCO3分布和沉积量等，这些过程的实现要求有准确的MICP修复混凝土裂缝的计算模型作为基础。数值模型的建立基于微生物诱导碳酸钙沉淀技术的作用机理，考虑注浆过程中浆液溶质的对流、扩散、细菌的死亡和吸附、尿素水解速率、碳酸钙沉淀、孔隙率和渗透率降低等特征。利用COMSOLMultiphysics软件建立MICP技术修复带裂缝的标准混凝土试块模型。1.1模型理论基础在MICP修复混凝土裂缝的过程中，细菌主要有两种存3242023年4月江西建材工程技术与应用在形态：游离在溶液的细菌（Cbacl）和吸附在介质的细菌（Cb a c s）。大多数MICP工程应用中，细菌先在实验室中培养到最大活性再用于注菌，并且在注菌过程中源源不断通人新细菌。因而，模型忽略了细菌的生长，只考虑细菌的死亡和吸附。假设细菌的死亡速率ka是一个常数（1/s），并且游离态细菌与吸附态细菌的死亡速率相同。因此，细菌总浓度随时间的变化满足下式。acbact（4)bact-kdcotChacl和Chacl分别是游离细菌和吸附细菌的浓度（cells/mL）。假设吸附态细菌浓度取决于当前的游离态细菌浓度，吸附速率kat是一个常数（1/s）。细菌的吸附被简化为一阶动力学模型，该模型具有恒定的吸附速率。吸附态细菌浓度随时间的变化满足下式。acbacskat Cbacs kaCbacs(5)at相应地，游离态细菌浓度随时间的变化满足下式：-kancbacl_-kacbacl(6)at14Van Wijngaarden采用动力学反应控制模型来描述MICP中的尿素水解和碳酸钙沉淀。该模型假定MICP化学反应为一级不可逆反应，并被一个总的反应速率kreamo l（ms）所控制。利用Michaelis-Menten方程（米氏方程），可以得到尿素水解的反应速率。cureaexp(7)krea-ureatd其中，km是尿素的半饱和常数（mol/m），对应反应速率降为50%时的尿素浓度;Curea是尿素浓度（mol/L）。Fa u r i e l 1 5】认为尿素水解的几个过程都可能降低微生物的反应活性。1.2模型验证Martinez等人1 6 利用MICP技术对半米长砂柱进行处理并开展实验室试验。本节为了确定临界孔隙率n。、细菌吸附率kat和最大脲酶常数usp（mo l/ms )三个模型参数的值，选择了Martinez进行的三个试验进行模拟。试验1 B的模拟用于模型参数的校准，同时为了验证和评价模型参数的正确性，对试验2 B和试验3 A进行了模拟。试验1 B和试验2 B中的胶结液用连续注浆法（CF）进行处理，试验3 A的胶结液通过间歇注射法（SF）进行处理。在SF注射方法中，每次注入约1.5孔隙体积的胶结液，之间间隔约两个小时。50模型拟合40实验数据/口30201000100020003000碳酸钙浓度/(mol/m3)图1试验数据和模型拟合的试验1 B反应结束时碳酸钙浓度曲线对比通过拟合试验1 B的实测碳酸钙分布曲线，标定了三个模型参数。从图1 可以看出，当n。的值为0.2 5、kat的值为1.5210*3、u s p 的值为1.41 0-*时，拟合效果良好。基于拟合试验1 B得出的模型参数，对试验2 B和3 A进行模拟。虽然试验2 B和试验3 A的处理方法有很大的不同，但无需对模型参数进行重新校准，就可以很好地拟合两个试验中实测的数据，由此证明了模型参数的正确性。1.3模型基准参数及边界条件本文建立的模型是针对修复带裂缝的混凝土标准试块，并进行简化。在试块中间存在一条贯通混凝土上下表面的裂缝，宽度为2 mm。研究表明，当混凝土裂缝大于2 mm时，单单依靠微生物矿化产生的碳酸钙对裂缝进行填充的修复效率很低，因此，需要在注菌之前，预先往裂缝中灌人填充材料如砂子等在裂缝中形成骨架，然后，微生物矿化产生的碳酸钙通过胶结填充材料来对裂缝进行修复。在使用MICP对裂缝进行修复时，为避免碳酸钙集中于注浆口造成堵塞，宜采用先注菌液后注胶结液的分步注浆法，模型设置达西定律物理场模拟分步注浆过程。在注菌和注胶阶段的左右边界采用零通量的边界条件，下边界的边界条件为1 个标准大气压。上边界注菌阶段的注菌速度1 0 mL/min，菌液浓度为7.2 1 0 cells/mL。在注胶阶段，胶结液浓度尿素3 0 0 mol/m、钙浓度3 0 0 mol/m,注胶速率1 0 mL/min。2基准参数下的模型结果分析本节对MICP修复带裂缝的混凝土标准试块模型在基准参数下进行计算，通过选取裂缝中线和裂缝中点（0，0）对注菌阶段和注胶阶段的吸附态细菌跟游离态细菌浓度变化、尿素浓度变化、孔隙率与渗透率变化以及反应速率变化进行分析。基准参数见表1。表1基准参数名称数值注菌时间/h2菌液浓度/（cells/mL）7.2e5注胶时间/h10尿素浓度/(mol/m）300填充材料初始孔隙率0.452.1细菌浓度变化98675645432游离态细菌浓度2吸附态细菌浓度10002000400060008000时间/s图2注菌过程中细菌浓度变化图2 所示为注菌过程中裂缝中点（0，0）处的游离态细菌浓度和吸附态细菌浓度随注菌时间的变化情况。游离态细菌浓度随注菌时间的增加快速上升，当时间为40 0 s时细菌浓度达到3252023年4 月江西建材工程技术与应用6.610cells/mL后便不再增加，原因是注菌速率过大。吸附态细菌浓度随注菌时间的增加近似线性增加，在注菌结束时（t=7200s）浓度达到了7.5 1 0 cells/mL左右，造成这种现象的原因是吸附态细菌浓度会因游离态细菌的吸附作用而持续增加，游离态细菌浓度在很短时间内便达到稳定状态，并且模型假设游离态细菌的吸附率和死亡率为常数。图3显示了注胶过程中裂缝中心点处游离态和吸附态细菌浓度随时间的变化。游离态细菌浓度随注胶时间下降，约在10000s左右变为零。吸附态细菌浓度在注胶时间初期短暂上升，然后缓慢下降。由于注胶过程中游离态细菌浓度变为零，可知吸附态细菌在微生物修复混凝土裂缝中起着决定性作用。78(/)/67.857.6437.42游离态细菌浓度7.21吸附态细菌浓度0170200004000060000时间/s图3注胶过程中细菌浓度变化由于注胶过程中，游离态细菌在流场作用下很快全部流出裂缝，浓度变为零，因此，只考虑吸附态细菌浓度变化，并选取裂缝中线进行计算。如图4 所示，吸附态细菌浓度在对流扩散作用下，形成了注胶口附近浓度大，出口附近浓度小的分布形式。吸附态细菌随着注胶过程的进行，浓度缓慢下降，造成这一现象是模型考虑了细菌的死亡作用。914400s8.6-36000s-4 3 2 0 0 s8.27.87.47050100150距注浆口距离/mm图4注胶过程中吸附态细菌浓度变化2.2尿素浓度变化图5 所示为注胶过程中，裂缝中点（0,0）处的尿素浓度随注胶时间变化情况。由图可知，尿素浓度刚开始随着注胶时间显著上升，当尿素浓度达到2 6 0 mol/m左右时开始随注胶时间下降。这是由尿素浓度及反应速率而决定。不同时刻下尿素浓度随注浆口距离变化如图6 所示，尿素浓度在对流扩散作用下，形成了注胶口附近浓度大，出口附近浓度小的分布形式。随着注胶过程的进行，裂缝中的尿素浓度逐渐下降，造成这一现象的原因可能是尿素的输运项小于其反应项。300250(g/o)/当2001501005000200004000060000时间/s图5注胶过程中尿素浓度变化350300(g/ou)/25020015014400s21600s10028800s36000s5043200s0050100150距注浆口距离/cm图6注胶过程中不同时间尿素浓度变化3结论本文基于COMSOLMultiphysics仿真软件建立了MICP修复带裂缝的混凝土标准试块模型，对模型在基准参数下的计算结果进行分析，通过对细菌浓度变化、尿素浓度变化、孔隙率与渗透率变化进行分析，得出以下结论。（1）在注菌阶段，游离态细菌浓度快速趋于稳定而吸附态细菌浓度不断上升，注胶阶段吸附态细菌吸附在填充材料上，浓度会因为死亡作用而小幅度下降，游离态细菌会从出口流出，由于缺少菌液的补给，其浓度很快达到零，这表明在MICP修复混凝土裂缝中，吸附态细菌发挥着主要的作用。（2）在对流扩散的作用下，吸附态细菌与尿素都形成了注浆口附近浓度大，出口附近浓度小的分布形式，尿素由于输运项小于反应项，导致其浓度会随着时间下降，并且下降速率越来越快，使得其浓度分布越来越不均匀。参考文献1 LOWENSTANH A,WEINER S.On BiomineralizationM.NewYork:Oxford University Press,1988.2BAZYLINSKI D A,FRANKEL R B,KONHAUSER KO.Modes ofbiomineralization of magnetite by microbes J.GeomicrobiologyJournal,2007（2 4):4 6 5-4 7 5.3Barabesi C,Galizzi A,Mastromei G,et al.Bacillus subtilis genecluster involved in calcium carbonate biomineralization J.Journalof bacteriology,2007,189（1):2 2 8-2 35.4RIVADENEYRA M A,DELGADO R,DEL MORALA,et al.Precipitation of calcium carbonate by Vibrio spp.from an inland saltern（下转第330 页）330：上接第32 7 页）上接第32 5 页）+2023年4 月工程技术与应用江西建材7结语（1）大体积圆形承台的施工由于受承台形状的影响，钢筋安装工序变得复杂，大尺寸砼浇筑因为受水化热的影响，需采取各种减少水化热的举措，提高建筑质量。本项目通过浇筑四个大体积圆形承台，总结出一些控制施工质量的措施，实践检验证明，这些措施能够有效地为整体结构提供质量保障。（2）大体积承台施工技术的关键在于裂缝的预防与控制。实施过程中，可在大体积砼浇筑中的各个环节控制大体积承台的温度变化，从调节钢筋布设、砼温度控制、减缓砼降温速度、降低温度应力和抵抗收缩应力等方面入手，通过各种工艺调节水泥内部温度，使混凝土质量达到设计和规范要求的同时，有效防止混凝土裂纹的形成和变形。参考文献1周功建.富阳鹿山大桥主墩深水承台施工技术J.桥梁建设，2010(4):77-80.2李桂茹.简述武汉青山长江公路大桥1 9 主塔墩承台施工关键技术【J.建筑与装饰，2 0 2 1（6）：1 0 3.J.FEMS Microbiologic-alEcology,1994,13（3):1 9 7-2 0 4.5钱春香，任立夫，罗勉。基于微生物诱导矿化的混凝土表面缺陷及裂缝修复技术研究进展【J.硅酸盐学报，2 0 1 5，4 3（5）：6 1 9-631.6 1BOQUETE,BORONAT A,RAMOS-CORMENZANAA.Productionof calcite(calcium carbonate)crystals by soil bacteria is a commonphenomenonJ.Nature,1973（2 4 6):5 2 7-5 2 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