CN105837075B - 一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，包括以下步骤：配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至7～9，灭菌并冷却到室温后接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入尿素溶液，在25～37℃温度下振荡培养；向细菌培养液中加入再生混凝土细骨料，继续振荡培养；加入尿素、钙源混合溶液，混合均匀，振荡，结束后取出再生骨料；在边加热边搅拌状态下干燥再生骨料。与未强化的再生骨料相比，本发明得到的再生细骨料，压碎值可降低近60％，吸水率降低近50％。

Description

一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法
技术领域
本发明涉及一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，属于建筑材料、微生物学和固体废弃物资源化利用的交叉技术领域。
背景技术
将废弃混凝土加工成再生骨料用于再生混凝土的制备不仅解决了环境污染问题，也实现了资源再利用,减少了资源和能源的浪费。但与天然骨料相比，再生骨料内部存在大量微细裂纹、压碎指标值高、吸水率大，利用其制备的再生砂浆和再生混凝土的工作性能、力学性能与耐久性也难以满足工程要求。因此，强化再生细骨料以提高再生砂浆性能，对建筑垃圾中废旧混凝土循环利用和可持续发展具有重要意义。为改善再生骨料的性能缺陷，众多学者利用不同方法改善再生骨料表面结构，减少微裂纹或孔洞，如利用聚合物溶液、水玻璃溶液、有机硅憎水剂，以及酸液浸泡处理再生骨料。其中酸液清洗法的作用有限而且还会引入酸根离子，影响附着砂浆的pH值；聚合物处理法能有效减小再生混凝土骨料的吸水率，但对强度的提高有限；有机硅憎水剂和水玻璃浸泡，不仅成本高，而且改变再生骨料粒径和级配，使细骨料细度模数超出标准范围。
近年来，借鉴微生物自修复混凝土裂缝技术，虽然已有学者利用微生物沉积碳酸钙原理填补修复再生粗骨料表面裂缝以改善再生骨料性能，但是相关研究中试验参数设置较单一，所报道的处理方法并未涉及到钙源选择、防止再生细骨料级配和细度模数变粗等问题，所以并不适合再生细骨料。此外，在利用微生物技术强化再生细骨料性能方面的研究未见报道。
发明内容
基于以上技术背景，本发明旨在克服现有技术的不足，本发明提供一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，能够有效改善再生细骨料与再生砂浆性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，包括以下步骤：
(1)配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至7～9，灭菌并冷却到室温后接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入尿素溶液，在25～37℃温度下振荡培养，得到细菌培养液；
(2)向细菌培养液中加入再生混凝土细骨料，继续振荡培养；
(3)加入尿素、钙源混合溶液，混合均匀，振荡，结束后取出再生混凝土细骨料；
(4)在边加热边搅拌状态下干燥再生混凝土细骨料。
进一步的，步骤(1)中，所述微生物培养基由蛋白胨4～6g/L、牛肉浸膏2～4g/L和去离子水组成，或由大豆蛋白胨5g/L、酪蛋白胨15g/L及去离子水组成。
进一步的，步骤(1)中，所述灭菌的条件为：在121℃温度条件下灭菌25min。
进一步的，步骤(1)中，振荡培养12h～24h，巴氏芽孢杆菌细胞浓度为109～1011cell/mL。
进一步的，步骤(2)中，所述再生混凝土细骨料过0.075mm标准筛经水洗后获得，粒径在0.075mm～4.75mm；再生混凝土细骨料与细菌培养液配比为150g：250mL～300g：250mL。
进一步的，步骤(2)中，振荡培养时，振荡保持5～12h，振荡频率为50～200r/min。
进一步的，步骤(3)中钙源尿素混合溶液由浓度为0.5mol/L～1mol/L钙源、浓度为0.5mol/L～1mol/L的尿素及去离子水组成，其中钙源是氯化钙、硝酸钙、乳酸钙或葡萄糖酸钙；钙源、尿素混合溶液与细菌培养液的体积比为1：(1～4)。
进一步的，步骤(3)中加入钙源尿素混合溶液后，仍将容器置于振荡条件下培养24h～72h，振荡频率为100～170r/min。
进一步的，步骤(4)中加热温度不超过85℃。
进一步的，步骤(4)中，搅拌过程中加入表面活性剂或减水剂；所述表面活性剂或减水剂为聚羧酸减水剂、六偏磷酸钠、三聚磷酸钠。
本发明的原理是：
巴氏生孢八叠球菌(Sp.Cell)可吸引钙离子(Ca2+)，与尿素(CO(NH2)2)水解产生的碳酸钙离子(CO3 2-)反应，如下方程式所示。同时，水解产生的铵根离子(NH4 +)增加周围溶液的pH值，从而提高碳酸钙的沉淀效率。
Sp.Cell+Ca2+→SD.cell-Ca2+ (1)
CO(NH2)2→2NH4 ++CO3 2- (2)
Sp.cell-Ca2++CO3 2-→Sp.cell-CaCO3↓ (3)
本发明的有益效果是：
试验发现再生骨料在静置加热干燥过程中会有明显的团聚作用，导致再生细骨料级配变差，细度模数显著增大，用此，处理后的骨料干燥过程选用边加热边搅拌方式。同时，为进一步降低碳酸钙团聚作用的不利影响，干燥过程可选择性地加入表明活性剂或减水剂，如聚羧酸系高效减水剂、萘系减水剂和六偏磷酸钠等。研究表明，未经强化处理的再生骨料表面含有大量微裂缝，导致再生骨料孔隙率较大、吸水率较高。而微生物沉积处理可有效降低再生骨料孔隙率，进而减小骨料压碎值、降低骨料吸水率。
附图说明
图1为采用此方法强化再生细骨料时微生物沉积产物的XRD图谱，钙源选用氯化钙，ND代表微生物培养基由牛肉浸膏和蛋白胨组成。
图2为采用此方法强化再生细骨料前后再生细骨料的SEM图，钙源选用氯化钙。
图3为采用此方法强化再生细骨料时微生物沉积产物的XRD图谱，钙源选用乳酸钙，DL代表微生物培养基由大豆蛋白胨和酪蛋白胨组成。
图4为采用此方法强化再生细骨料前后再生细骨料的SEM图，钙源选用乳酸钙。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)称取牛肉浸膏3g、蛋白胨5g、去离子水1000mL配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至8.5。经121℃高温下灭菌25min冷却至室温后，接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入20ml浓度为4mol/L的尿素溶液。在30℃条件下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h。
(2)再生混凝土细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取200g加入到250ml上述细菌培养液中，使再生细骨料在振荡条件下浸泡8h，振荡频率为130r/min。
(3)向上述再生细骨料和细菌混合培养液中加入250mL尿素钙源溶液。钙源选用氯化钙。尿素钙源溶液中尿素浓度为0.5mol/L，氯化钙浓度为0.5mol/L。维持振荡24h后取出再生骨料，振荡频率为130r/min。
(4)经微生物强化处理后的再生骨料在边电吹风加热边人工搅拌状态下干燥至恒重，干燥过程中滴入固含质量分数为30％的聚羧酸系高效减水剂，每1000g骨料掺量为2～5ml。
该试验得到的再生细骨料表面附着有纳米级CaCO3层，由方解石和球霰石组成，粒径约在5～10μm范围内。参照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》考察微生物处理前后骨料的级配、压碎指标与饱和面干吸水率的变化。结果表明微生物处理可有效降低再生混凝土细骨料的吸水率和压碎指标，降低程度分别可达29.7％和33.3％，但骨料细度模数略有增加，如表1所示。
表1.处理前后再生骨料性能
将本实施例得到的经微生物处理后的再生混凝土骨料按照胶砂比1：5、水胶比0.97制成砂浆试件；利用未处理再生混凝土骨料按照胶砂比为1：5、水胶比为1.03制备再生砂浆。测试砂浆新拌浆体稠度及其7d、28d抗压强度如表2所示。经微生物处理后的再生砂浆流动新显著提高，但其28d抗压强度略低于原状再生砂浆。
表2再生砂浆稠度及抗压强度
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)称取大豆蛋白胨5g/L、酪蛋白胨15g/L、去离子水1000mL配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至8左右。经121℃高温下灭菌25min冷却至室温后，接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入20ml浓度为4mol/L的尿素溶液。在30℃条件下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h。
(2)再生混凝土细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取200g加入到250ml上述细菌培养液中，使再生细骨料在振荡条件下浸泡8h，振荡频率为130r/min。
(3)向上述再生细骨料和细菌混合培养液中加入250mL尿素钙源溶液。钙源选用乳酸钙。尿素钙源溶液中尿素浓度为0.5mol/L，乳酸钙浓度为0.5mol/L。维持振荡24h后取出再生骨料，振荡频率为130r/min。
(4)经微生物强化处理后的再生骨料在边电吹风加热边人工搅拌状态下干燥至恒重，干燥过程中不加入表面活性剂。
该方法处理后的再生细骨料表面附着有乳酸钙和碳酸钙混合层，CaCO3仅由方解石组成，粒径约在1～5μm范围内。由于在干燥过程中没有加入任何表明活性剂，处理后再生细骨料的细度模数由2.81增大至3.06，吸水率和压碎指标，分别降低约23.9％和22.2％，如表3所示。
表3.处理前后再生骨料性能
将本实施例得到的经微生物处理后的再生混凝土骨料按照胶砂比1：5、水胶比0.98制成砂浆试件；利用未处理再生混凝土骨料按照胶砂比为1：5、水胶比为1.03制备再生砂浆。测试砂浆新拌浆体稠度及其7d、28d抗压强度如表4所示。经微生物处理后的再生砂浆流动新显著提高，但其28d抗压强度低于原状再生砂浆。
表4再生砂浆稠度及抗压强度
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)称取牛肉浸膏2g、蛋白胨6g、去离子水1000mL配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至9。经125℃高温下灭菌25min冷却至室温后，接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入20ml浓度为4mol/L的尿素溶液。在25℃条件下振荡培养，振荡频率为170r/min，培养24h。
(2)再生混凝土细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取150g加入到250ml上述细菌培养液中，使再生细骨料在振荡条件下浸泡12h，振荡频率为50r/min。
(3)向上述再生细骨料和细菌混合培养液中加入250mL尿素钙源溶液。钙源选用氯化钙。尿素钙源溶液中尿素浓度为0.5mol/L，氯化钙浓度为0.5mol/L。维持振荡72h后取出再生骨料，振荡频率为100r/min。
(4)经微生物强化处理后的再生骨料在边电吹风加热边人工搅拌状态下干燥至恒重，干燥过程中滴入质量分数为30％的六偏磷酸钠溶液，每1000g骨料掺量为2～5ml。
结果表明微生物处理可有效降低再生混凝土细骨料的吸水率和压碎指标，降低程度分别可达31.5％和27.8％，但骨料细度模数增加至3.01，如表5所示。
表5.处理前后再生骨料性能
将本实施例得到的经微生物处理后的再生混凝土骨料按照灰砂比1：5、水胶比0.97制成砂浆试件；利用未处理再生混凝土骨料按照灰砂比为1：5、水胶比为1.03制备再生砂浆。测试砂浆新拌浆体稠度及其7d、28d抗压强度如表6所示。经微生物处理后的再生砂浆流动新显著提高，但其28d抗压强度略低于原状再生砂浆。
表6再生砂浆稠度及抗压强度
实施例4
本实施例包括以下步骤：
(1)称取牛肉浸膏4g、蛋白胨4g、去离子水1000mL配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节PH值至7。经125℃高温下灭菌25min冷却至室温后，接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入20ml浓度为4mol/L的尿素溶液。在37℃条件下振荡培养，振荡频率为200r/min，培养12h。
(2)再生混凝土细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取150g加入到250ml上述细菌培养液中，使再生细骨料在振荡条件下浸泡5h，振荡频率为200r/min。
(3)向上述再生细骨料和细菌混合培养液中加入250mL尿素钙源溶液。钙源选用氯化钙。尿素钙源溶液中尿素浓度为0.5mol/L，氯化钙浓度为0.5mol/L。维持振荡48h后取出再生骨料，振荡频率为140r/min。
(4)经微生物强化处理后的再生骨料在边电吹风加热边人工搅拌状态下干燥至恒重，干燥过程中滴入质量分数为30％三聚磷酸钠溶液，每1000g骨料掺量为2～5ml。
结果表明微生物处理后再生混凝土细骨料的吸水率和压碎指标分别降低约28.3％和16.7％，但骨料细度模数明显增大，由2.81增至3.12，如表7所示。
表7.处理前后再生骨料性能
将本实施例得到的经微生物处理后的再生混凝土骨料按照灰砂比1：5、水胶比1.03制成砂浆试件；利用未处理再生混凝土骨料按照灰砂比为1：5、水胶比为0.98制备再生砂浆。测试砂浆新拌浆体稠度及其7d、28d抗压强度如表8所示。经微生物处理后的再生砂浆流动新显著提高，但其28d抗压强度低于原状再生砂浆。
表8.再生砂浆稠度及抗压强度
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）配制微生物培养基，通过滴加NaOH溶液调节pH值至7~9，灭菌并冷却到室温后接种巴氏生孢八叠球菌，同时加入尿素溶液，在25~37℃温度下振荡培养，得到细菌培养液；
（2）向细菌培养液中加入再生混凝土细骨料，继续振荡培养；
（3）加入尿素、钙源混合溶液，混合均匀，振荡，结束后取出再生混凝土细骨料；
（4）在边加热边搅拌状态下干燥再生混凝土细骨料。
2.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述微生物培养基由蛋白胨4~6g/L、牛肉浸膏2~4g/L和去离子水组成，或由大豆蛋白胨5g/L、酪蛋白胨15g/L及去离子水组成。
3.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（1）中，所述灭菌的条件为：在121℃温度条件下灭菌25min。
4.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（1）中，振荡培养12h~24h，巴氏生孢八叠球菌细胞浓度为109~1011cell/mL。
5.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（2）中，所述再生混凝土细骨料过0.075mm标准筛经水洗后获得，粒径在0.075mm~4.75mm；再生混凝土细骨料与细菌培养液配比为150g：250mL~300g：250mL。
6.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（2）中，振荡培养时，振荡保持5~12h，振荡频率为50~200r/min。
7.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（3）中，尿素、钙源混合溶液由浓度为0.5mol/L~1mol/L钙源、浓度为0.5mol/L~1mol/L的尿素及去离子水组成，其中钙源是氯化钙、硝酸钙、乳酸钙或葡萄糖酸钙；尿素、钙源混合溶液与细菌培养液的体积比为1：（1~4）。
8.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（3）中加入尿素、钙源混合溶液后，仍将容器置于振荡条件下培养24h~72h，振荡频率为100~170r/min。
9.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（4）中加热温度不超过85℃。
10.如权利要求1所述的利用微生物沉积碳酸钙强化再生混凝土细骨料的方法，其特征在于：步骤（4）中，搅拌过程中加入表面活性剂或减水剂；所述表面活性剂或减水剂为聚羧酸减水剂、六偏磷酸钠或三聚磷酸钠的一种。
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