方解石沉淀对辣木荚果灰混凝土新拌和硬化性能的影响

《Next Materials》：Effects of calcite precipitation on fresh and hardened properties of Moringa Pod Ash concrete

　　

本研究调查了辣木荚果灰（MPA）作为部分水泥替代物和微生物诱导方解石沉淀（MICP）对混凝土新拌、力学和耐久性能的协同效应。水泥类型I（CEM I）被MPA替代10%和20%，MICP通过使用浓度为1.5×10⁸、12×10⁸和24×10⁸ CFU/mL的凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）通过部分水替代引入。评估了新拌和硬化性能、吸水率、耐酸性和微观结构（SEM），并通过双因素方差分析（95%置信水平）评估统计显著性。MPA的掺入显著降低了和易性，20%替代使坍落度相对于对照降低约87%。虽然20% MPA单独使用使28天抗压强度降低19%，但细菌掺入补偿了这一损失——在MPA改性混合料中实现了高达11%的强度恢复，在普通OPC混合料中实现了高达9.5%的增强——通过生物方解石填充孔隙和微裂纹，如SEM所证实。耐久性增益显著：在细菌-MPA组合混合料中，吸水率降低高达78%，酸致质量损失降低高达75%。方差分析证实，MPA含量、细菌浓度及其交互作用均显著影响混凝土性能（p?**研究背景**
混凝土生产是全球碳排放的主要来源之一，约占全球CO₂排放的7%，其中石灰石煅烧贡献约60%。传统混凝土在热带高湿、温差环境下易出现力学和耐久性不足，因此需要寻找替代材料以降低环境足迹并提升性能。辣木荚果灰（MPA）作为农业废弃物，具有高钙含量和一定火山灰活性，但单独使用会降低新拌和易性和强度。微生物诱导方解石沉淀（MICP）通过细菌催化尿素水解生成CaCO₃，可填充孔隙和微裂纹，增强混凝土致密性。然而，此前尚无研究将MPA与MICP结合，本工作旨在填补这一空白，探索两者的协同效应。

**研究内容与意义**
研究人员以尼日利亚卡杜纳地区来源的辣木荚果灰（MPA）部分替代水泥（10%和20%），并以凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）悬液（1.5×10⁸、12×10⁸、24×10⁸ CFU/mL）替代部分拌合水引入MICP，系统评估了新拌和易性（坍落度、密实因子）、力学性能（抗压、抗弯强度，7–28天）、耐久性（吸水率、酸侵蚀质量损失）及微观结构（SEM），并通过双因素方差分析（ANOVA）检验统计显著性。结论表明，MICP可有效补偿高MPA掺量（20%）导致的强度损失（抗压恢复达11%），并协同降低吸水率（最高78%）和酸侵蚀质量损失（最高75%），其中10% MPA与高浓度细菌的组合在力学和耐久性间达到最佳平衡。该研究提供了一条可持续、区域适用的混凝土技术路径，论文发表在《Next Materials》。

**关键技术方法**
（1）X射线荧光光谱分析（XRF）表征MPA的氧化物组成，确认其高CaO（56.55 wt%）和MgO（15.71 wt%）含量、低SiO₂（2.38 wt%）特征，属于钙质非传统补充胶凝材料；（2）拌合设计：固定水灰比0.55，按1:2:4比例（水泥:砂:碎石）配制，MPA按水泥质量10%和20%替代；（3）微生物培养：凝结芽孢杆菌（Bacillus coagulans）在含尿素和CaCl₂的培养基中活化至OD₆₀₀≈0.8，调整浓度后以250 mL悬液替代等体积拌合水；（4）性能测试：按BS EN标准进行坍落度、密实因子、抗压强度（150 mm立方体）、抗弯强度（150×150×500 mm梁）、吸水率（BS 1881–122）、酸侵蚀（10% H₂SO₄浸泡28天）及SEM微观形貌观察；（5）统计分析：双因素方差分析（ANOVA，95%置信水平）评估MPA含量、细菌浓度及其交互作用。样本来源：MPA取自尼日利亚卡杜纳Sabon Gari市场，细菌培养于阿赫马杜贝洛大学扎里亚。

**研究结果**
**3.1 化学组成（Chemical composition of MPA）**
XRF分析表明MPA以CaO（56.55 wt%）和MgO（15.71 wt%）为主，SiO₂+Al₂O₃+Fe₂O₃远低于70%火山灰阈值，属于钙质非传统补充胶凝材料，主要通过填充和部分水化效应而非典型火山灰反应发挥作用。

**3.2 坍落度结果（Slump results）**
对照坍落度74 mm，10% MPA明显降低，20% MPA降至近零（约10 mm），降幅达83–87%。细菌悬液单独添加对坍落度无显著影响（70–76 mm），但无法恢复MPA引起的工作性损失。

**3.3 密实因子（Compactor factor）**
对照密实因子0.95，20% MPA降至0.91；细菌单独添加轻微提升至0.96，MPA混合料中细菌改善有限，与坍落度趋势一致。

**3.4 抗压强度结果（Compressive strength results）**
对照28天抗压强度35.49 N/mm2。20% MPA单独使用降低约19%（28.66 N/mm2）。细菌添加实现强度恢复：在MPA混合料中最高恢复11%，在普通OPC混合料中最高增强9.5%（24×10⁸ CFU/mL）。10% MPA混合料因稀释效应较小，配合细菌后性能更接近对照。

**3.5 抗弯强度结果（Flexural strength results）**
对照28天抗弯强度9.91 N/mm2。细菌单独添加使强度提升至约10.9 N/mm2（+10%）。20% MPA单独使用降低，但配合高浓度细菌后显著恢复，接近或超过对照。10% MPA混合料表现更优，细菌浓度越高增强越一致。

**3.6 吸水率结果（Water absorption results）**
对照吸水率3.50%。细菌单独添加降低至1.10%（24×10⁸ CFU/mL）。MPA混合料中，20% MPA配合高浓度细菌达到最低吸水率0.78%，降幅达77.7%，优于10% MPA组合，表明MPA释放的Ca²⁺促进MICP致密化。

**3.7 酸侵蚀结果（Acid resistance test results）**
对照质量损失>4%。细菌浓度增加使损失降至1.0–1.1%。10% MPA配合细菌在各浓度下均表现最低质量损失（最优1.00%），20% MPA略高，但高浓度下差异减小。ANOVA表明细菌活性是主导因素。

**3.8 SEM微观结构分析（SEM analysis of microstructure）**
对照显示明显裂纹和孔隙；0% MPA+细菌混合料表面更均匀，无连续裂纹网络；20% MPA单独呈现粗糙、松散结构；20% MPA+细菌混合料可见密集的球形至不规则颗粒簇（5–15 μm），符合局部矿物沉淀特征，证实MICP填充作用。

**3.9 数据分析（Data analysis）**
ANOVA表明MPA含量、细菌浓度及其交互作用对所有性能指标均有显著影响（p<0.05）。MPA主导耐久性，细菌活性主导强度，两者协同效应在耐久性中尤为明显。

**3.10 结果总结（Summarized results）**
与文献对比，本研究的吸水率降低（77.7%）和酸侵蚀质量损失（75.9%）优于文献报道的30–45%和约52%的降幅，抗压强度增强幅度（9%）低于文献的15–50%，但趋势一致。高MPA掺量下的强度和易性下降主要归因于MPA的填充效应而非细菌机制。

**总结讨论**
讨论部分指出，MPA的低SiO₂和Al₂O₃含量限制了其火山灰反应，但高CaO和MgO提供了碱性环境和Ca²⁺源，有利于MICP。细菌通过填充孔隙和微裂纹显著提升耐久性，但无法完全逆转高MPA掺量（20%）导致的强度损失，10% MPA+高浓度细菌组合在力学和耐久性间达到最佳平衡。ANOVA确认了MPA和细菌的协同效应，且耐久性改善幅度超过文献报道的MICP效果，表明MPA与MICP的联合应用具有实际潜力。

**研究结论（翻译）**
1. MPA降低和易性，尤其在20%替代时，而细菌掺入对该性能影响可忽略。
2. 细菌处理补偿了20% MPA引起的强度损失，10% MPA与细菌组合实现了最佳强度平衡；抗弯强度因MPA-细菌混合料的抗裂性和致密化进一步增强。
3. 细菌掺入改善耐久性：20% MPA+高浓度细菌混合料吸水率最低、酸侵蚀质量损失最小，表明该替代水平下细菌有效补偿了MPA引起的孔隙率。
4. MPA含量和细菌掺量均显著影响所有测试性能（p<0.05），且存在明确的交互作用：耐久性主要受MPA含量控制，强度主要受细菌活性控制。
5. MPA与细菌之间存在协同效应：20% MPA+高浓度细菌提供最佳耐久性，而10% MPA+细菌提供最均衡的整体性能。
6. 该MPA–MICP方法为减少水泥消耗和CO₂排放、提高混凝土耐久性和延长使用寿命提供了实用策略，支持其在可持续建筑中的应用潜力。

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