CN102071710B - 位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法 - Google Patents
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Abstract
本发明为位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径，然后，根据土的孔隙体积，在需要封堵混凝土裂缝的部位的上游，灌注浓度为2％-20％的营养物质溶液，营养物质为葡萄糖、淀粉、蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物或马铃薯提取物中的一种或几种，或者其中一种或几种与无机盐组合，具体的组合应该根据土中优势微生物种群来确定，利用本方法不需要对渗漏处进行精确探查，在注入营养液的同时达到渗漏处探查和封堵的目的，同时成本很低且不会破坏环境。
Description
技术领域
本发明属于土建和水利基础设施工程领域，具体涉及位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法。
背景技术
渗漏问题是土木和水利工程中无法避免的问题，尤其是在有土参与其中时，如水库、土坝、河的护堤以及地下建筑与设施。渗漏现象对于工程安全、经济以及环境造成不小危害，每年因为渗漏而导致的工程事故和经济损失都不可估量。特别是现在我国正处于大规模基础建设和房地产开发时期，合适的防渗堵漏措施和技术对于保证工程安全以及正常使用功能显得尤为重要。
传统的防渗堵漏技术主要涉及渗漏勘察和加固封堵两大类技术。常规工程水文勘察方法，如测压管，观测井和渗漏检测仪等，不能全面给出与渗漏相关的信息，而其他方法往往技术复杂，成本高昂，而且适用性受限。常规加固封堵方法，如混凝土防渗墙、劈裂帷幕灌浆等，施工深度小、地层适应性差；有的需要采用大型或重型设备，价格非常高昂，难以进入渗漏位置，施工难度大。而且，这些技术往往不能准确找到渗漏源，堵漏效果不佳。此外，这些技术大都对环境造成不良影响。因此，寻找一种有效、经济且对环境友好的堵漏方法成为土木工程领域研究的热点之一。
在一些复杂的环境条件下，如病险堤坝管涌、隧道渗水、海水入侵以及地下水污染物扩散等问题，由于复杂的工程水文地质环境和混凝土或岩土的裂缝和裂隙所构成的结构不均匀性，形成一种难以预见和探查的现象，传统的探查与补救方法困难重重。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，其能够激发土中的微生物，利用微生物技术简单有效地对渗漏处进行补救，具有适用范围广，应用条件宽松，堵漏耐久性好，成本低，不破坏环境，不因材料老化而失效的特点。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在需要封堵混凝土裂缝的部位的上游，灌注浓度为2％-20％的营养物质溶液，至营养物质溶液溢出地表。
所述推测渗流路径指的是根据裂缝中地下水的渗出情况进行的大致推测，不需要对渗漏处进行精确探查，在注入营养液的同时达到渗漏处探查和封堵的目的。
所述的营养物质为葡萄糖、淀粉、蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物或马铃薯提取物中的一种或几种，或者其中一种或几种与无机盐组合。
所述灌注的方式为每天一次或者一次以上，平均每小时灌注的体积为灌注前每小时渗出水量Q0的15％-100％，检测其堵漏系数F，当F小于0.2时即达到了有效的封堵，其中堵漏系数F是指t时刻每小时渗出水量Qt与灌注前每小时渗出水量Q0的比值，但是，当堵漏系数F小于0.2时，仍可继续灌注营养物质溶液。
所述的营养物质溶液为含牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L、氯化钠5g/L的溶液；或者含葡萄糖20g/L、淀粉20g/L的溶液；或者为5g/L的马铃薯提取物溶液。
所述营养物质溶液的pH值与土的pH值相等，所述营养物质溶液的氧化还原电位与土的氧化还原电位相等。
在灌注营养物质溶液的同时，还加入体积为1/3～1/6土孔隙体积的诱导矿物生成微生物或者胞外分泌物丰富微生物或者生物量增长迅速的微生物；或者不灌注营养物质溶液，直接加入诱导矿物生成的微生物或者胞外分泌物丰富的微生物或者生物量增长迅速的微生物。
所述诱导矿物生成的微生物包括巴氏芽孢八叠球菌、球状芽孢杆菌，所述胞外分泌物丰富的微生物包括荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌，所述生物量增长迅速的微生物包括金黄节杆菌。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明进行封堵修复的时间短，效果好，在三周之内就可以将每小时渗出水量下降到最初的百分之一水平。
2)本发明不需要对渗漏处进行探查，在注入营养液的同时达到渗漏处探查和封堵的目的。
3)所用的营养液的成本低。
4)本发明中所利用微生物为土环境中本身存在的微生物或其中某种微生物的培养物，营养物质也为天然物质，无环境污染。
附图说明
图1A为混凝土试块RC1的CT扫描透视立面图；
图1B为混凝土试块RC1的CT扫描透视底面图；
图1C为混凝土试块RC2的CT扫描透视立面图；
图1D为混凝土试块RC2的CT扫描透视底面图。
图2为本发明实施例一的实验装置示意图，SP1～SP6为等距分布的六个测压管。
图3为本发明实施例一的流出液流量变化曲线，横坐标为时间，以天为单位，纵坐标表示每小时的流量。
图4为本发明实施例一的封堵系数F变化曲线，横坐标为时间，以大为单位，纵坐标表示封堵系数。
图5为本发明实施例一的流出液pH变化曲线，横坐标为时间，以天为单位，纵坐标表示流出液的pH位。
图6为本发明实施例一的流出液电导率变化曲线，横坐标为时间，以天为单位，纵坐标表示流出液电导率。
图7为本发明实施例一的流出液吸光值(OD600)变化曲线，横坐标为时间，以天为单位，纵坐标表示流出液吸光值。
图8为本发明实施例一的流出液氧化还原电位变化曲线，横坐标为时间，以天为单位，纵坐标表示流出液氧化还原电位。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
实施例一
本实施例以实验方法和装置验证。
位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在混凝土裂缝需要封堵的部位的上游，灌注营养物质溶液。
本实施例所用土取自于北京市海淀区中关村的建筑工地地基的砂层，该种土普遍存在于砂层中。砂土经过筛分去除了尺寸较大的颗粒。该种砂土的D50和D10分别为0.331mm和0.183mm。该砂土的粒径大小为微生物的生存提供了足够的空间，并且不会阻碍微生物活动所需的营养物质的进入。
本实施例所用混凝土试块是由钢筋混凝土结构中，在有裂缝的地方取芯而得。由于混凝土裂缝的结构不均匀性，两个试块不尽相同，为了方便描述，将其编号为RC1和RC2。两个试块均为圆柱体，RC1直径5.3cm，RC2直径5.6cm，侧面基本光滑，下端为平面，上端凹凸不平。对这两个混凝土试块进行了CT扫描，其微观情况如图1所示。裂缝大致处于下端面的中部，RC1裂缝长为5cm，RC2裂缝长为5.1cm，裂缝贯穿整个混凝土试块，裂缝的平均宽度小于1mm。
实验装置如图2所示，材料为PVC管，其高度为75cm，直径为10cm。在PVC柱的侧面通过乳胶管，与6个测压管相连，这些测压管用来监测给定位置的水头高度，并判断封堵位置，从下至上编号为SP1～SP6。入水口处与PVC管底部距离为5cm，底部测压管与PVC管底部距离为15cm，相邻测压管之间距离为10cm，在SP4和SP5之间有一个隔板，隔板中间有一个接近矩形(4cm×2cm)的孔槽，用来模拟试验***中的水渗入到混凝土裂缝中。PVC管的入水口处通过乳胶管与水箱相连，出水口处通过乳胶管连通到收集装置。两个PVC管中的隔板上方分别放入了混凝土试块RC1和RC2。在底部入水口处，装填了约10cm的滤水石，便于水和营养物质的进入，也防止入水口处的堵塞。
为了便于描述封堵是否成功，本发明引入了封堵系数。如下式所示：
其中Qt是指t时刻***每小时渗出水量，Q0指灌注前***每小时渗出水量，当F小于0.2时即达到了有效的封堵。
将RC1和RC2侧面用透明胶带封好，使其侧面不漏水，只留上下端面可以过水，最大程度保证水都是从中间裂缝流过。然后将两个试块完全放入水中，充分浸泡15分钟，使其内部尽量都充满水。然后取出试块，将其正立，从上端面倒入100mL水，让其在重力的作用下，流过混凝土试块，记录其流完的时间，结果分别为85分27秒和121分06秒。参阅《地下防水工程质量验收规范》，对其现象进行描述，本发明中所用的混凝土渗漏应属于滴漏。
在试验装置连接完毕之后，打开水箱阀门，开始进行通水。以试验室地面为0点，起始水头为110cm，PVC柱出水口高度均为78cm。通水阶段共持续6天，检测两个含混凝土试块的PVC砂柱初始流出液分别为每小时77mL和79mL。
根据本实施例中土的性质，选用营养物质为马铃薯提取物，试块RC1灌注马铃薯提取物溶液，试块RC2灌注含铁的马铃薯提取物溶液。溶液的浓度并没有严格意义的限制，然而，为了达到较佳的效果且同时不造成材料的浪费，选用溶液的浓度范围在2％-20％之间，本实施例中，马铃薯提取物溶液的浓度为5％。
向含有裂通混凝土试块RC1的砂柱灌注马铃薯提取物溶液，向含有裂通混凝土试块RC2的砂柱灌注含铁的马铃薯提取物溶液，在砂柱的上游，入水口处，随水流进行灌注营养物质，灌注的方式为每天一次，每天分别灌入100mL。每天记录流出液流量，并对流出液进行收集和保存。如图3所示，横坐标表示灌注营养液时间，纵坐标表示含带裂缝混凝土砂柱，在通入营养液一段时间之后，两个砂柱流出液流量持续减小，在第25天时，RC1组下降至每小时0.5mL，RC2组下降至每小时0.3mL。说明添加营养物质和铁，可以对混凝土砂柱体系产生封堵作用。分别计算两个砂柱封堵系数F来判断封堵效果，F值持续小于0.2的为有效封堵。两个砂柱在添加营养物质一定时间后，一直处于有效封堵状态，如图4所示。
对含RC1试块的砂柱采取分步抬高水头的方法，来测试封堵的稳定性。水头从初始的110cm，进行了7次提高，具体如下表1所示：
表1抬高水头后每小时流量记录
| 水头高度(cm) | 110 | 137 | 148 | 159 | 169 | 178 | 188 | 198 |
| ***水头差(cm) | 32 | 59 | 70 | 81 | 91 | 100 | 110 | 120 |
| 每小时流量(mL) | 0.5 | 0.7 | 0.3 | 0.3 | 0.3 | 0.4 | 1.5 | 4.9 |
由表1中可以看到，在***水头差到120cm后，每小时的流量只增大到每小时4.9mL，远小于试验通水阶段的每小时77mL，封堵系数为0.0636，小于0.2，仍属于有效封堵。
对于试验的流出液进行了收集、编号和保存，并对试验收集流出液的pH值、电导率、吸光值和氧化还原电位进行检测和分析。如图5所示，横坐标表示灌注营养液时间，纵坐标表示流出液的pH值，RC1组和RC2号组的pH值一直保持在7到8之间，有所下降但不明显，这可能是由于其中所含的混凝土试块为碱性，对溶液的pH值造成了影响。如图6所示，横坐标表示灌注营养液时间，纵坐标表示流出液的电导率值，RC1组和RC2组的电导率在添加营养液阶段比通水阶段都有所上升，在微生物诱导封堵的过程中，溶液中的离子浓度有了一定量的增加。如图7所示，横坐标表示灌注营养液时间，纵坐标表示流出液的在600nm处的吸光值，RC1组和RC2组的吸光值略有增加，表明在微生物诱导封堵过程中，溶液中微生物的数量有所增加。如图8所示，横坐标表示灌注营养液时间，纵坐标表示流出液的氧化还原电位值，RC1组和RC2号组的氧化还原电位在封堵过程中有所降低，表明微生物的生长消耗了氧气。
实施例二
位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在混凝土裂缝需要封堵的部位的上游，灌注营养物质溶液，为节约材料，灌注至营养物质溶液溢出地表。
本实施例中选取的土中含有机质较多，主要的微生物类群为化能异养型，根据其性质，选取的营养物质应该为相应类型的大分子有机化合物，本实施例选择淀粉或者蛋白胨，且溶液为高渗透压、高浓度，溶液的浓度选择20％。
灌注的方式为每天三次，平均每小时灌注的体积为灌注前每小时通过混凝土裂缝的水的流量Q0的100％。
30天后，检测其堵漏系数F，F远小于0.2，则认为达到了有效的封堵。
含盐类较多的土，其对添加的营养物质溶液浓度的要求类同于本实施例。
实施例三
位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在混凝土裂缝需要封堵的部位的上游，灌注营养物质溶液，为节约材料，灌注至营养物质溶液溢出地表。
本实施例中选取的土中含盐类较少，主要的微生物类群为化能自养型微生物，根据其性质，选取的营养物质应该含相应的无机离子(如NH4 +、NO2 -、S、Fe2+等)，且溶液为低渗透压、低浓度，溶液的浓度选择2％。
灌注的方式为每天三次，平均每小时灌注的体积为灌注前每小时通过混凝土裂缝的水的流量Q0的15％，
20天后，检测其堵漏系数F，F远小于0.2，则认为达到了有效的封堵。
含有机质较少的土，其对添加的营养物质溶液浓度的要求类同于本实施例。
所有的实施例中，营养物质溶液的pH和氧化还原电位都与土本身的性质相近，这样能保证效率最大，效果最佳。
实施例四
位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在混凝土裂缝需要封堵的部位的上游，灌注营养物质溶液，为节约材料，灌注至营养物质溶液溢出地表。。
本实施例中选取的土中微生物含量较少，需要再加入某种特定种类微生物，以提高修复效果，如某些诱导矿物生成的微生物，巴氏芽孢八叠球菌、球状芽孢杆菌、肿大地杆菌等；某些胞外分泌物丰富的微生物，荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌等；或某些生物量增长迅速的微生物，金黄节杆菌等。此处根据选取的土的性质选择荧光假单胞菌。
灌注的方式为先灌注一次菌液，然后灌注相应营养液，每天三次，平均每小时灌注的体积为灌注前每小时通过混凝土裂缝的水的流量Q0的15％，
20大后，检测其堵漏系数F，F远小于0.2，则认为达到了有效的封堵。
所有的实施例中，营养物质溶液的pH和氧化还原电位都与土本身的性质相同或者相近，这样能保证效率最大，效果最佳。
本发明的原理为：
土壤中含有丰富的微生物资源，通过对其灌注营养液，则可以激发微生物进行生物化学反应，微生物的新陈代谢速度加快，生成大量细胞外分泌物，最终达到堵漏的效果，同时，微生物能够自动找到渗漏处的位置进行有效的防渗，达到探查和堵漏二合一的效果。
所灌注的营养物质用来为微生物的生长提供营养，从而刺激微生物的生长代谢，其成分与常用微生物培养基类似。
其中，推测渗流路径的时候，根据裂缝中地下水的渗出情况，大致推测出渗流路径即可，无需对渗漏部位进行精确的探查，在需要封堵混凝土裂缝的部位上游灌注营养物质，同时可达到对渗漏处探查和封堵的目的。
值得注意的是，由于土自身性质的多样性，其中的优势微生物种群更是异常复杂，因此，灌注之前，需要对土自身的物理性质和其中的优势微生物种群进行分析，以确定最佳的营养物质选择，以及其浓度范围。
经过多次试验，发现效果较好和较易通用的为葡萄糖、淀粉、蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物、马铃薯提取物等，或将几种组合使用，或将一种或几种与少量无机盐组合使用，如含牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L、氯化钠5g/L的营养液；含葡萄糖20g/L、淀粉20g/L的营养液；含酵母提取物10g/L、蛋白胨5g/L的培养液；马铃薯提取物溶液5g/L等。
另外，根据不同土的性质，对优势微生物群落种类进行初步分析，针对优势微生物种类，调整营养液的碳/氮比，pH，浓度、氧化还原电位等，可以达到最佳的效果和最高的效率。在土中微生物含量较少时，需要加入某种特定微生物以提高修复效果，如某些诱导矿物生成的微生物，巴氏芽孢八叠球菌、球状芽孢杆菌、肿大地杆菌等；某些胞外分泌物丰富的微生物，荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌等；或某些生物量增长迅速的微生物，金黄节杆菌等。
本发明中，营养物质溶液浓度的选择和每次灌注溶液的量的选择均非对本发明的限制，这样的选择只是因为考虑到保证达到最佳效果的同时要节约材料，如，溶液浓度过高或者每次灌注溶液的量过大，堵漏的最终目的仍然可以实现，但是会造成材料的浪费，造成了成本的增加。
本发明进行封堵修复的时间短，效果好，且在注入营养液的同时达到渗漏处探查和封堵的目的，所利用微生物为土环境中本身存在的微生物，营养物质也为天然物质，无环境污染且成本低。因此具有广泛的应用前景和显著工程技术和经济价值。
Claims (5)
1.位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，包括以下步骤，
首先，根据裂缝中地下水的渗出情况，推测渗流路径；
然后，根据土的孔隙体积，在需要封堵混凝土裂缝的部位的上游，灌注浓度为2％-20％的营养物质溶液，至营养物质溶液溢出地表；
其中，灌注之前，先对土自身的物理性质和其中的优势微生物种群进行分析，以确定最佳的营养物质选择，以及其浓度范围，
其特征在于，
所述的营养物质为葡萄糖、淀粉、蛋白胨、牛肉膏、酵母提取物或马铃薯提取物中的一种或几种，或者其中一种或几种与无机盐组合；
所述灌注的方式为每天一次或者一次以上，平均每小时灌注的体积为灌注前每小时渗出水量Q0的15％-100％，检测其堵漏系数F，当F小于0.2时即达到了有效的封堵，其中堵漏系数F是指t时刻每小时渗出水量Qt与灌注前每小时渗出水量Q0的比值。
2.根据权利要求1所述的位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，其特征在于，所述的营养物质溶液为含牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L、氯化钠5g/L的溶液；或者含葡萄糖20g/L、淀粉20g/L的溶液；或者为5g/L的马铃薯提取物溶液。
3.根据权利要求1所述的位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，其特征在于，所述营养物质溶液的pH值与土的pH值相等，所述营养物质溶液的氧化还原电位与土的氧化还原电位相等。
4.根据权利要求1所述的位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，其特征在于，在灌注营养物质溶液的同时，还加入体积为1/3～1/6土孔隙体积的诱导矿物生成微生物或者胞外分泌物丰富微生物或者生物量增长迅速微生物；或者不灌注营养物质溶液，直接加入诱导矿物生成的微生物或者胞外分泌物丰富的微生物或者生物量增长迅速的微生物。
5.根据权利要求4所述的位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法，其特征在于，所述诱导矿物生成的微生物包括巴氏芽孢八叠球菌、球状芽孢杆菌，所述胞外分泌物丰富的微生物包括荧光假单胞菌、铜绿假单胞菌，所述生物量增长迅速的微生物包括金黄节杆菌。
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