利用海藻酸钠辅助的微生物诱导碳酸盐沉淀技术提升再生混凝土骨料的性能

《Journal of Cleaner Production》：Performance enhancement of recycled concrete aggregates using sodium alginate-aided microbial-induced carbonate precipitation

再生混凝土骨料（RCA）通过钠alginate辅助的微生物诱导碳酸钙沉淀（AIMICP）技术优化处理，显著提升物理性能。研究系统对比了浸泡、喷涂及顺序组合六种方法，发现同时应用alginate凝胶与钙源（如CaCl?）的处理方式（如方法6）效果最佳，质量增益达5.9%，吸水率降低88%，耐磨性减少53%。微结构分析显示，alginate促进CaCO?均匀附着于骨料孔隙及裂缝，形成致密封闭层。实验表明，DSM28菌株在×20浓度下性能最优，且处理顺序需先应用生物凝胶再引入钙源。研究为可持续建材提供新解决方案，但需进一步验证长期耐久性和工业化成本效益。

　　本研究聚焦于通过微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）技术对回收混凝土骨料（RCA）进行生物改性，旨在解决RCA在物理性能方面的不足，从而推动其在可持续建筑中的应用。RCA作为天然骨料（NA）的环保替代品，其较差的物理特性限制了其广泛使用。本文探讨了六种不同的应用方法，包括喷洒、浸泡以及不同顺序的应用方式，通过系统性优化处理过程，评估了这些方法在提升RCA性能方面的效果。研究采用了两种细菌菌株——Lysinibacillus sphaericus（DSM 28）和Priestia megaterium（DSM 32），并测试了多种浓度水平的处理溶液，从1倍到20倍的浓度梯度。通过测量质量增加、吸水率和抗磨性等指标，评估了不同处理方法的有效性。研究发现，当处理溶液中含有藻酸盐时，无论采用喷洒还是浸泡，都能显著提升RCA的性能。其中，采用藻酸盐-细菌溶液与钙源同时应用的方法（Treatment 6）在提升质量增加、降低吸水率和减少磨耗方面表现最佳。质量增加可达6%，吸水率降低高达88%，磨耗质量损失减少高达53%。此外，显微结构分析表明，处理后的RCA表面形成了致密且紧密附着的碳酸钙层，有效封闭了表面孔隙和微裂纹。

### 一、研究背景与意义

随着建筑行业的快速发展，天然骨料资源逐渐短缺，同时建筑垃圾（CDW）的产生量也急剧上升，每年估计超过100亿吨。将建筑垃圾转化为RCA是一种可持续的策略，有助于减少填埋垃圾并保护自然资源。然而，RCA在物理性能上不如天然骨料，如更高的孔隙率、更低的强度和更大的吸水率，这些特性主要源于RCA表面残留的老砂浆，使其在结构应用中不够耐用。因此，改进RCA的性能成为推动其在建筑领域应用的关键。微生物诱导碳酸钙沉淀（MICP）作为一种创新、环保、低能耗且低成本的技术，已被广泛研究用于改善RCA的性能。MICP是一种生物地球化学过程，通过微生物促使矿物沉淀，主要是碳酸钙（CaCO?）。该过程通常由尿素酶催化尿素水解（尿素分解）产生铵离子和碳酸根离子。碳酸根离子与钙源结合，形成碳酸钙沉淀。这种现象可用于改善RCA的性能，例如通过填充其表面和内部的孔隙与裂纹，从而减少吸水率并提高抗磨性。

尽管MICP在改善RCA性能方面显示出巨大潜力，但其应用仍存在一定的局限性。例如，大多数研究依赖于单一的浸泡技术，且处理周期通常需要数天至数周，限制了其在工业规模上的应用。此外，研究中缺乏对不同处理方法顺序和浓度的系统性优化，也未充分探讨其对RCA性能提升的具体影响。因此，本研究首次系统地比较了六种不同的处理方法，包括喷洒、浸泡以及顺序应用，以识别最有效的处理策略和浓度范围。

### 二、材料与方法

本研究使用的RCA来源于阿联酋阿布扎比的Al Dhafra回收工业，该工业对旧混凝土结构进行破碎处理，形成回收混凝土骨料。RCA的名义最大粒径为25毫米，用于研究其在不同处理方法下的性能变化。天然骨料的名义最大粒径为20毫米，与RCA形成对比。为了评估RCA的性能，本研究采用了一系列物理测试方法，包括质量增加、吸水率和抗磨性测试。此外，通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对沉淀物的微结构进行分析，以确认碳酸钙的形成及其对RCA性能的提升作用。

#### 2.1 材料

RCA的物理特性如表1所示。与天然骨料相比，RCA的干压实密度较低，吸水率较高，抗洛杉矶磨耗性较差，这主要是由于其表面的老砂浆和较高的孔隙率。虽然RCA的物理性能在标准范围内，但其吸水率几乎是天然骨料的30倍，这显著影响了其在建筑中的应用。因此，本研究旨在通过MICP技术降低其吸水率并提高其抗磨性。

#### 2.2 实验方法

本研究采用了两种细菌菌株，Lysinibacillus sphaericus（DSM 28）和Priestia megaterium（DSM 32），分别用于MICP处理。为了提高碳酸钙沉淀的均匀性和附着力，研究中引入了藻酸盐作为固定介质。藻酸盐在反应中通过与钙离子结合形成钙藻酸凝胶，从而提高沉淀物的附着性。处理溶液的浓度范围从1倍到20倍，其中营养液、尿素和氯化钙的浓度分别为13克/升、41.625克/升和41.625克/升。实验中采用了六种不同的处理方法，包括喷洒和浸泡，以及它们的顺序组合，以评估不同处理方式对RCA性能的影响。

#### 2.3 性能评估

为了评估处理效果，本研究对RCA进行了质量增加、吸水率和抗磨性测试。质量增加用于衡量碳酸钙沉淀的量，吸水率用于评估孔隙率的改善，而抗磨性则用于测试RCA的耐久性。通过这些测试，可以确定哪种处理方法和浓度最有效。

### 三、实验结果与讨论

#### 3.1 藻酸盐在碳酸钙沉淀中的作用

实验结果表明，藻酸盐的使用显著提高了RCA的性能。在没有藻酸盐的情况下，RCA的质量增加范围在0.04%至0.93%之间，而在使用藻酸盐的情况下，质量增加范围扩大至2.1%至5.9%。这表明，藻酸盐不仅有助于提高碳酸钙沉淀的均匀性和附着力，还能够延长沉淀反应的时间，从而提高沉淀效率。在某些情况下，如Treatment 6（同时使用藻酸盐和钙源），质量增加甚至达到了5.9%，而吸水率则降低了88%。这些结果表明，藻酸盐的引入是提升RCA性能的关键因素。

#### 3.2 质量增加

研究结果显示，随着处理溶液浓度的增加，RCA的质量增加也相应提高。例如，在Treatment 1中，当浓度达到12倍时，质量增加最高为4.61%。而在Treatment 6中，当浓度达到20倍时，质量增加最高为5.9%。这些结果表明，浓度的增加对质量增加有显著影响，但超过一定浓度后，效果开始下降。这可能是由于酶催化速率（Vmax）和反应物的运输限制所致。此外，处理方法也对质量增加有影响，其中同时使用藻酸盐和钙源的Treatment 6表现最佳。

#### 3.3 吸水率

吸水率的降低是衡量RCA性能提升的重要指标。实验结果表明，当使用藻酸盐时，吸水率显著下降。例如，在Treatment 6中，吸水率降低了88%，而在Treatment 1和3中，分别降低了83%和76%。这些结果表明，处理方法和浓度对吸水率有重要影响。同时，处理溶液的浓度增加也导致吸水率的降低。这可能是由于碳酸钙沉淀有效封闭了RCA的孔隙，从而减少了水分的渗透。

#### 3.4 抗磨性

抗磨性测试结果显示，使用藻酸盐的处理方法显著提高了RCA的抗磨性。例如，在Treatment 6中，使用DSM 28菌株和20倍浓度时，磨耗质量损失减少了53%。这些结果表明，碳酸钙沉淀不仅提高了RCA的表面强度，还增强了其内部结构的稳定性，从而提高了抗磨性。

#### 3.5 沉淀物的表征

通过光学显微镜、XRD和SEM对沉淀物进行了表征。结果表明，RCA表面形成了致密且均匀的碳酸钙层，有效封闭了孔隙和裂纹。此外，XRD分析显示，沉淀物主要为方解石（calcite），但也存在少量的文石（vaterite）。SEM图像进一步证实了碳酸钙的形成及其对RCA表面的覆盖。这些结果为RCA性能的提升提供了微观层面的证据。

### 四、优化处理方法的推荐

基于实验结果，本研究推荐三种处理方法：Treatment 1（先浸泡藻酸盐-细菌溶液，再浸泡钙源）、Treatment 3（先喷洒藻酸盐-细菌溶液，再浸泡钙源）和Treatment 6（同时浸泡藻酸盐-细菌溶液和钙源）。这些方法在质量增加、吸水率降低和抗磨性提升方面表现最佳。其中，Treatment 6在使用DSM 28菌株和20倍浓度时，质量增加最高（5.9%），吸水率最低（0.8%），磨耗质量损失减少了53%。这些结果表明，这些处理方法能够有效提升RCA的性能，使其更接近天然骨料的水平。

### 五、局限性与未来研究方向

尽管本研究取得了显著成果，但在实际应用中仍存在一些挑战。例如，RCA的来源和物理特性存在差异，这可能影响处理效果。因此，未来的研究需要验证这些优化处理方法在不同来源的RCA中的适用性。此外，处理溶液中残留的氯离子可能对钢筋混凝土的耐久性产生影响，因此需要开发有效的清洗方法或使用无氯钙盐。同时，未来的研究还应关注处理过程中产生的铵离子，以及其对环境的影响。此外，长期耐久性测试也是必要的，以评估碳酸钙层在实际环境条件下的稳定性。最后，为了评估该技术的商业可行性，还需要进行技术经济分析，包括原材料成本、处理过程的能量需求以及在现有回收工厂中的实施可行性。

### 六、结论

本研究系统地开发和优化了一种基于藻酸盐的MICP处理方法，显著提升了RCA的物理性能。实验结果表明，藻酸盐的引入是提高碳酸钙沉淀效果的关键因素，同时处理溶液的浓度和顺序对处理效果也有重要影响。推荐的处理方法（Treatment 1、3和6）在质量增加、吸水率降低和抗磨性提升方面表现最佳。此外，显微结构分析证实了碳酸钙层的形成，有效封闭了RCA的孔隙和裂纹。这些结果为RCA在可持续建筑中的应用提供了坚实的基础。然而，为了实现该技术的广泛应用，仍需进一步研究以解决残留氯离子、铵离子以及长期耐久性等问题。