CN101768013A - 采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，利用微生物酶化作用，将菌株附着于水泥石表面生长，在水泥石表面矿化沉积出碳酸钙层进行覆膜防护的方法。采用本发明方法使水泥石表面生成连续致密坚硬的碳酸钙保护层，且与基材表面结合紧密。由于表层连续致密碳酸钙层的紧密附着，水泥石试件毛细吸水系数均有明显降低，覆膜后从原先的1688g/(m²·h^1/2))降至298.6g/(m²·h^1/2)范围内，降低幅度高达80％以上，防护效果显著。不仅资源丰富，而且环境清洁，成本低廉，工艺简单。

Description

采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法

技术领域

本发明涉及水泥基材料表面缺陷修复与防护方法，特别涉及利用一株具有碳酸盐矿化特性的土壤细菌，利用其生命过程中的酶化作用在水泥基材料表面矿化沉积出连续致密的碳酸钙层，对水泥基材料表面缺陷进行修复与防护的方法。

背景技术

暴露于自然界中的水泥基材料，长期以来由于受到物理、化学和生物等因素的影响，其基体的性能逐渐遭到破坏，常常会出现表面疏松，微裂缝等现象，导致其内部孔隙率增加，力学性能不断下降。而且，随着现代工业的飞速发展，由环境污染造成的对水泥基材料的侵蚀更加严重，因此，对水泥基材料表面缺陷进行防护和修复显得迫在眉睫。现有技术通常利用有机聚合物，如环氧树脂、丙烯酸树脂，尤其是有机硅或有机氟类聚合物防护修复水泥基材料表面缺陷，取得了很好的修复效果，但是这些有机高分子材料的长期耐候性，与基材相容性较差的问题正成为研究者们致力研究的方向。

生物矿化作用是自然界广泛发生的一种作用，它是生物形成矿物的作用，是在生物的特定部位，在一定物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。几乎每一种生物都能合成矿物，许多类型的有机体在其细胞和组织位置形成沉积矿物，并且此过程在细胞的生命活动中不断得以精确重复，这些细胞包括了细菌、海藻、原生物、乃至骨的成骨细胞。至今人类已在生物中发现了30多种不同的生物矿物，而这其中近三分之二是钙矿，四分之一是胶体材料，碳酸盐和磷酸盐更是几乎遍及了整个生物世界。生物矿化往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机——无机复合材料。

发明内容

本发明提供了一种利用微生物酶化作用，将菌株附着于水泥石表面生长，在

水泥石表面矿化沉积出碳酸钙层进行覆膜防护的方法。

本发明采用如下技术方案：

一种采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，所述修复步骤如下：

a.将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；

b.将上述生长至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；

c.将离心后所得浓度为1.0×10⁹～1.0×10¹¹cell/mL的高浓缩菌液涂抹于试样表面；

d.将羧甲基纤维素钠溶液，涂抹于步骤c所得试件表面；

e.再将尿素和Ca(NO₃)₂混合溶液涂抹于步骤d所得试件表面，5～7天后试件表面即生成碳酸钙保护层。

所述的羧甲基纤维素钠溶液是以新配制的培养基作为溶剂配制，羧甲基纤维素钠质量分数为2％～4％。所述的Ca(NO₃)₂和尿素混合溶液中，Ca(NO₃)₂浓度是0.5～2mol/L，尿素的浓度是0.5～2mol/L。所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。所述恒温培养箱温度设定为25～37℃。所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。

有益效果：

1.本发明充分利用自然界微生物资源，通过生物的矿化作用，在试件表面原位矿化沉积出一层致密的碳酸钙层，由于表层连续致密碳酸钙层的紧密附着，水泥石试件毛细吸水系数均有明显降低，覆膜后从原先的1688g/(m²·h^1/2)降至298.6g/(m²·h^1/2)范围内，降低幅度高达80％以上，防护效果显著。

2.本发明的方法使用的原料来源广泛，资源丰富，而且环境清洁，成本低廉，工艺简单。

3.由于生成的碳酸钙属于无机材料，具有较好的耐候性，与基材有良好的相容性，能自动平衡基材内部各种应力(温度应力、结晶应力等)，并且防护材料失效后对基材造成的影响较小。

4.同时，由于所得碳酸钙层是在有机质调控下生成，比一般化学法制得的碳酸钙具有更优良的性能，对基材起到有效的保护。

5.本发明通过采用羧甲基纤维素钠固载菌株和营养物质，涂刷于试件表面使其附着生长，不仅简化了工艺操作，而且同时优化微环境，保护胞内酶活性，使得碳酸钙能在较长时间内在试样表面与有机质和残余载体交联缓慢结晶生长，其与基材结合更为紧密，覆膜防护效果显著。

附图说明

图1为毛细吸水系数测定试验装置示意图。

图2为水泥基材料表面矿化形成的碳酸钙覆膜层。

图3为水泥基材料表面覆膜层物质XRD分析图谱。

图4为菌株生长标准曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：

采用普通硅酸盐水泥PO32.5，水灰比0.45，成型水泥净浆，试样尺寸30mm×30mm×30mm，室温养护7天后待覆膜试验。将菌株巴氏芽胞杆菌Bacilluspasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，培养基成分见表1，在25～37℃下进行振荡培养，16～24小时后当菌株生长至稳定期时，将菌液以5000～8000rpm离心5～8min，将所得的高浓缩菌液涂抹于试样表面，随后将羧甲基纤维素钠溶液，尿素和Ca(NO₃)₂混合溶液分别先后涂抹于试件表面，通过菌株在其生长繁殖过程中产生的脲酶，不断分解微环境中的尿素，形成CO₃ ^2-，同时菌体细胞膜界面处带负电荷的SM(水可溶有机质)不断螯合环境中的Ca²⁺，诱导出局部的晶体阴离子(CO₃ ^2-)浓度进一步增大，从而吸引更多的Ca²⁺，直到晶体前驱物浓度增大到利于核化，不断缓慢矿化沉积出CaCO₃颗粒，附着于混凝土表面，从而达到表面防护的作用，整个反应如式(1)～式(3)所示。

(NH₂)₂CO+2H₂O＝CO₃ ^2-+2NH₄ ⁺     (1)

Cell+Ca²⁺＝Cell-Ca²⁺           (2)

Cell-Ca²⁺+CO₃ ^2-＝Cell-CaCO₃    (3)

通过测定水泥石试件毛细吸水系数表征其覆膜防护效果。将水泥石试件置于烘箱中70℃烘干，直至其24h内质量损失率低于0.1％为止，取出，称重后将其4个侧面用石蜡密封，以确保水泥石在毛细吸水过程为一维吸水。在平底容器中放入支架，将水泥石试件覆膜面朝下置于支架上，往容器中缓慢注入水，直至液面高出试块底面(10±1)mm，如图1所示，待不同时间间隔取出，迅速擦干试件表面水分，称重，记录其质量变化情况，试件单位吸水量可如式(4)计算表征，因此试件的毛细吸水系数可因其线性相关而计算斜率得出。

$\frac{Q}{A}=k\sqrt{t}---\left(4\right)$

式中，Q——试件吸水量，g；

      A——试件吸水表面积，m²；

      t——试件吸水时间，h；

      k——试件毛细吸水系数，g/(m²·h^1/2)

表1培养基成分

实施例1

将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在25～37℃下进行振荡培养，16～24小时后当菌株浓度达到5×10⁸cell/mL时，将菌液以5000～8000rpm离心5～8min，获得高浓缩菌液浓度为9.8×10¹⁰cell/mL，涂抹于试样表面，随后将2％质量分数的羧甲基纤维素钠溶液，以及1.0mol/L的尿素和Ca(NO₃)₂混合溶液分别先后涂抹于试件表面进行覆膜实验，7d后水泥石试件表面均出现明显连续的白色沉积附着层(如图2所示)，与水泥石表面结合紧密，取样经XRD分析证实为方解石，如图3所示。由于采用了羧甲基纤维素钠固载菌株和营养物质，涂刷于试件表面使其附着生长，不仅简化了工艺操作，而且同时优化微环境，保护胞内酶活性，使得碳酸钙能在较长时间内在试件表面与有机质和残余载体交联缓慢结晶生长，其与基材结合更为紧密，覆膜防护效果显著。试件覆膜后毛细吸水系数由覆膜前的1688g/(m²·h^1/2)降低至298.6g/(m²·h^1/2)，覆膜防护效果明显。

Claims (6)

1.一种采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于修复步骤如下：

a.将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；

b.将上述生长至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；

c.将离心后所得浓度为1.0×10⁹～1.0×10¹¹cell/mL的高浓缩菌液涂抹于试样表面；

d.将羧甲基纤维素钠溶液，涂抹于步骤c所得试件表面；

e.再将尿素和Ca(NO₃)₂混合溶液涂抹于步骤d所得试样表面，5～7天后试件表面即生成连续致密坚硬的碳酸钙保护层。

2.根据权利要求1所述的采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于所述的羧甲基纤维素钠溶液是以新配制的培养基作为溶剂配制，羧甲基纤维素钠质量分数为2％～4％。

3.根据权利要求1所述的采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于所述的Ca(NO₃)₂和尿素混合溶液中，Ca(NO₃)₂浓度是0.5～2mol/L，尿素的浓度是0.5～2mol/L。

4.根据权利要求1或2所述的采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。

5.根据权利要求1所述的采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于所述恒温培养箱温度设定为25～37℃。

6.根据权利要求1所述的采用羧甲基纤维素钠固载微生物修复水泥基材料缺陷的方法，其特征在于所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。

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