CN106045400B - 使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土及其制备方法，其组分为载有好氧嗜碱微生物修复剂的膨胀珍珠岩、水泥、石子、砂、硅灰、水、乳酸钙及减水剂。该裂缝自修复混凝土不仅具有裂缝自修复功能，也具备保温隔热功能，它以好氧嗜碱微生物为裂缝修复剂，以乳酸钙为微生物新陈代谢的营养质，膨胀珍珠岩作为裂缝修复剂的载体。当混凝土产生裂缝，水和空气的进入使处于休眠中的微生物恢复新陈代谢功能，将乳酸钙转化为碳酸钙沉淀，从而达到自行诊断和修复混凝土裂缝，防止裂缝的扩展，提高混凝土抗渗性能的目的。本发明所述的微生物裂缝自修复混凝土作为一种兼具裂缝自诊断和自修复、轻质、保温隔热功能的混凝土材料，具有很大的研究价值和应用潜力。

Description

使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料，尤其是裂缝自修复混凝土材料，特别是一种使用好氧嗜碱微生物技术实现裂缝自诊断和自修复、且具有保温隔热功能的裂缝自修复混凝土。
背景技术
混凝土因其具有抗压强度高、耐久性好、成本低等优点，被广泛应用于建筑工程领域。然而混凝土是一种典型的脆性材料，在外力或其他因素作用下难免会产生微裂缝或局部损伤，从而导致其力学性能和耐久性降低。如果不及时采取有效处理措施，裂缝可能会进一步扩展，致使水、氧气、二氧化碳及氯化物等有害物质更容易进入混凝土内部，可能导致钢筋发生腐蚀，甚至还可能引发宏观裂缝并出现脆性断裂，造成难以挽回的经济损失和人员伤亡。
对于混凝土裂缝，当前主要的修复方法为事后修复或者定时修复，然而这种被动、有计划的修复方式大多针对肉眼可见的裂缝，修复部位大多为混凝土易损处，并受修复材料、施工技术等问题的限制，裂缝部位易产生二次开裂。另外，在实际的混凝土工程结构中，混凝土构件多处于带裂缝工作状态，即混凝土内部存在许多微裂纹，由于当前探测技术的局限性，检测并修复这些微裂纹仍存在较大的难度。因此，有必要研制出一种具有裂缝自诊断、自修复的混凝土材料，以满足当前建筑领域对混凝土材料的特殊要求。
对于混凝土裂缝的自修复方法，目前主要包括以下几种方法：基于混凝土自身的矿物自修复、内置纤维、预埋内注胶黏剂的微胶囊和预埋形状记忆合金等方法。以上这些方法尽管能够在一定程度上实现对混凝土裂缝的自修复，但这些方法也存在着明显的不足：1、矿物自修复法修复量有限，且修复效率较低；2、纤维增强水泥基复合材料虽然比普通混凝土具有较高的潜在自愈合性能，但依然受到龄期、环境介质、温湿度和外加剂等的影响，耗时长，效果不明显；3、微胶囊内注的修复胶黏剂一般具有毒性，很大程度上影响了研究成果在建筑工程中的应用，且在不影响混凝土性能的情况下如何选择修复剂载体的性质及数量、能否进行多次修复等问题还有待进一步验证；4、使用智能装置的混凝土主动自修复系统的成本过高，限制了它在建筑工程中的应用。
发明内容
本发明的目的是弥补当前混凝土裂缝自修复技术的不足，提供一种充分利用好氧耐碱微生物和膨胀珍珠岩各自优点、具有裂缝自诊断和自修复、轻质、保温隔热的裂缝自修复混凝土材料以及制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：
载有裂缝修复剂且包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒80~150份，水泥350~500份，石子900~1100份，砂400~600份，硅灰10~15份，水250~350份，乳酸钙10~18份，减水剂2~4份。
其中，膨胀珍珠岩颗粒内的好氧嗜碱微生物修复剂为具有好氧嗜碱特性并具备以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物，例如，假坚强芽孢杆菌、科式芽孢杆菌等。
载有好氧嗜碱微生物修复剂的载体采用表面开放孔的膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩的粒径范围为1.0mm~3.0mm。
上述载有裂缝修复剂且包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
载体制备：
（1）、筛选具有好氧嗜碱特性并具备以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物（假坚强芽孢杆菌、科式芽孢杆菌等），对菌株进行纯化和培养；
（2）、制备好氧嗜碱微生物的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g）；
（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.7，120°C高温灭菌30分钟，然后将好氧嗜碱微生物菌种（假坚强芽孢杆菌、科式芽孢杆菌等）按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；
（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；
（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为(4.0~5.5)×106个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒（每升菌液对应的膨胀珍珠岩用量为400~450g）的表面和内部孔隙中；
（6）、用干燥箱对上述吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2°C左右温度下进行干燥；
（7）、对干燥后的吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩表面喷洒乳酸钙和酵母膏混合溶液（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，乳酸钙7.5g，酵母膏1g），并对其进行第二次干燥。
在制备混凝土时，搅拌和振捣过程可能导致膨胀珍珠岩颗粒发生破裂，并且拌合水也可能致使载体吸附的乳酸钙溶解以及菌株扩散至其它部位。因此，在制备混凝土前，应对所述的载有好氧嗜碱微生物修复剂的膨胀珍珠岩颗粒表面进行包裹，载体表面包裹方法采用以下工艺流程：
（1）、称取一定量的偏高岭土或者粉煤灰与相应的激发剂混合（二者质量比为0.6~1.0：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；
（2）、将拌合后的偏高岭土或粉煤灰浆体添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.4~0.6MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；
（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂3~5次；
（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。
最终，使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土制备方法，包括如下步骤：首先将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与1/3重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将所述重量份数的水泥、石子、砂、硅灰、乳酸钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌3~4分钟后即得到所述的裂缝自修复混凝土。
制备得到的裂缝自修复混凝土具有良好的保温隔热功能，其导热系数为0.3~0.6W/(m·K)。
本发明所述的使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土具有如下特点：
第一，所使用的好氧嗜碱微生物（科氏芽孢杆菌、假坚强芽孢杆菌等）对混凝土中的高碱性环境有很好的适应性，在干燥环境下芽孢杆菌处于休眠状态，成活时间可达50年以上，与大多数建筑结构的使用年限相近。
第二，所采用的好氧嗜碱微生物在代谢过程中不产生氨气等有害物质，所产生的修复介质（碳酸钙）具有良好的耐久性和体积稳定性，且与水泥石相容性较好。
第三，好氧嗜碱微生物修复剂的载体采用表面为开放孔、内部为蜂窝状结构的膨胀珍珠岩，在混凝土制备和服役过程中，膨胀珍珠岩可以对好氧嗜碱微生物的生存和代谢提供有效保护。
第四，膨胀珍珠岩能够均匀分布在混凝土中，混凝土裂缝产生后，微生物接触到水和空气后便可以主动地修复裂缝，即混凝土具有智能的裂缝自诊断和自修复功能，保证了任意部位的裂缝均能得到及时和有效的修复，可以节约大量的维护资金。
第五，在制备混凝土前，对膨胀珍珠岩载体表面进行了包裹，包裹材料与水泥基材料具有良好的兼容性，有效地防止了搅拌和振捣过程导致载体颗粒发生破裂。
第六，好氧嗜碱微生物自修复混凝土不仅具有裂缝自诊断和自修复功能，也兼具保温隔热、轻质、力学性能和耐久性良好的优点，符合当前经济社会对建筑材料绿色、环保和智能的要求。
与现有的几种混凝土裂缝自修复技术相比，该类型裂缝自修复混凝土具有以下突出优点：
1、真正实现了混凝土裂缝的自诊断和自修复，即当裂缝产生后，空气和水分的进入使休眠的好氧嗜碱微生物苏醒，微生物新陈代谢产生碳酸钙沉淀，从而达到裂缝自修复的目的。
2、好氧嗜碱微生物在新陈代谢过程中不会产生对人体有害的物质。
3、裂缝修复完毕后的部位若再次发生开裂，混凝土仍然具备裂缝自修复能力。
4、裂缝修复剂的载体采用表面开放孔、内部蜂窝状结构的膨胀珍珠岩颗粒，在混凝土制备和服役过程中，膨胀珍珠岩能够对好氧嗜碱微生物的生存提供有效保护。
5、由于膨胀珍珠岩的导热系数一般为0.045~0.075W/(m·K)，裂缝修复剂的载体也可以作为保温骨料，有效地降低混凝土的导热系数，实现保温隔热的功能。
本发明设计合理，在实现裂缝自诊断和自修复功能的同时，又兼具了保温隔热的功能，符合当前经济社会对建筑材料的绿色、环保理念，具有很大的应用价值和发展潜力。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：膨胀珍珠岩颗粒90份，水泥400份，石子950份，砂425份，硅灰11份，水310份，乳酸钙12份，减水剂3份。
膨胀珍珠岩颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
载体制备：
（1）、选择假坚强芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；
（2）、制备好氧嗜碱微生物的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g）；
（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.7，120℃高温灭菌30分钟，然后将好氧嗜碱微生物菌种按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；
（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；
（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为4.0×106个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒（每升菌液对应的膨胀珍珠岩用量为400g）的表面和内部孔隙中；
（6）、用干燥箱对上述吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2°C左右温度下进行干燥；
（7）、对干燥后的吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩表面喷洒乳酸钙和酵母膏混合溶液（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，乳酸钙7.5g，酵母膏1g），并对其进行第二次干燥。
载体表面包裹
（1）、称取一定量的粉煤灰与相应的激发剂混合（二者质量比为0.6：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；
（2）、将拌合后的粉煤灰浆体添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.5MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；
（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂5次；
（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。
使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土制备方法，包括如下步骤：首先将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与1/3重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将所述重量份数的水泥、石子、砂、硅灰、乳酸钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌3~4分钟后即得到所述的裂缝自修复混凝土。
实施例2
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：膨胀珍珠岩颗粒120份，水泥435份，石子1025份，砂430份，硅灰12份，水290份，乳酸钙13份，减水剂3份。
制备方法同实施例1。
实施例3
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：膨胀珍珠岩颗粒130份，水泥445份，石子1050份，砂435份，硅灰13份，水275份，乳酸钙14份，减水剂3份。
制备方法同实施例1。
实施例4
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：膨胀珍珠岩颗粒150份，水泥500份，石子1100份，砂400份，硅灰14份，水350份，乳酸钙15份，减水剂4份。
膨胀珍珠岩颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
载体制备：
（1）、选择科式芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；
（2）、制备好氧嗜碱微生物的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g）；
（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.7，120℃高温灭菌30分钟，然后将好氧嗜碱微生物菌种按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；
（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；
（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为5.5×106个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒（每升菌液对应的膨胀珍珠岩用量为450g）的表面和内部孔隙中；
（6）、用干燥箱对上述吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2°C左右温度下进行干燥；
（7）、对干燥后的吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩表面喷洒乳酸钙和酵母膏混合溶液（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，乳酸钙7.5g，酵母膏1g），并对其进行第二次干燥。
载体表面包裹：
（1）、称取一定量的偏高岭土与相应的激发剂混合（二者质量比为1：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；
（2）、将拌合后的偏高岭土浆体添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.6MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；
（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂3次；
（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。
使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土制备方法，包括如下步骤：首先将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与1/3重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将所述重量份数的水泥、石子、砂、硅灰、乳酸钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌3~4分钟后即得到所述的裂缝自修复混凝土。
实施例5
一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，由下列重量份数的原料制成：膨胀珍珠岩颗粒80份，水泥350份，石子900份，砂600份，硅灰15份，水250份，乳酸钙10份，减水剂2份。
制备方法同实施例4。
实施例中制备的裂缝自修复混凝土不仅具有裂缝自修复功能，也具备保温隔热功能，它以好氧嗜碱微生物为裂缝修复剂，以乳酸钙为微生物新陈代谢的营养质，膨胀珍珠岩作为裂缝修复剂的载体。当混凝土产生裂缝，水和空气的进入使处于休眠中的微生物恢复新陈代谢功能，将乳酸钙转化为碳酸钙沉淀，从而达到自行诊断和修复混凝土裂缝，防止裂缝的扩展，提高混凝土抗渗性能的目的。所以，该微生物裂缝自修复混凝土是一种兼具裂缝自诊断和自修复、轻质、保温隔热功能的混凝土材料。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。

Claims (3)

1.一种使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土，其特征在于：由下列重量份数的原料制成：载有裂缝修复剂且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒80~150份，水泥350~500份，石子900~1100份，砂400~600份，硅灰10~15份，水250~350份，乳酸钙10~18份，减水剂2~4份；
所述载有裂缝修复剂且包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒的制备方法如下：
（1）、制备载有好氧嗜碱微生物修复剂的载体
a、采用具有好氧嗜碱特性并具备以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物，将菌种按常规方式接种至pH值为9~10的培养基中振荡培养；
b、采用离心法收集菌泥，对菌泥进行重悬，制得菌体悬浮液；
c、采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒的表面和内部孔隙中，并对上述吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒进行干燥；
d、对干燥后的吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒表面喷洒乳酸钙和酵母膏混合溶液，并对载体进行第二次干燥；
（2）、包裹载体表面
将偏高岭土或粉煤灰与激发剂进行拌合，制备成喷液，对载体颗粒表面进行喷涂；将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。
2.一种权利要求1所述的使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
首先将膨胀珍珠岩与1/3重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将水泥、石子、砂、硅灰、乳酸钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌3~4分钟后即得到所述的裂缝自修复混凝土。
3.一种载有裂缝修复剂且包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、制备载有好氧嗜碱微生物修复剂的载体
a、采用具有好氧嗜碱特性并具备以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物，将菌种按常规方式接种至pH值为9~10的培养基中振荡培养；具体过程如下：
采用假坚强芽孢杆菌或者科式芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；
制备好氧嗜碱微生物的培养基，培养基中每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g；
用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液将上述培养基pH值调整为9.7，120℃高温灭菌30分钟，然后将好氧嗜碱微生物菌种按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；其中，每升倍半碳酸钠无菌溶液中：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g；
b、采用离心法收集菌泥，对菌泥进行重悬，制得菌体悬浮液；具体过程如下：菌液用离心机以转速4000r/min离心20min；将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为(4.0~5.5)×106个/mL；
c、采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒的表面和内部孔隙中，并对上述吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒进行干燥；每升菌液对应的膨胀珍珠岩用量为400~450g；膨胀珍珠岩颗粒的粒径为1.0mm~3.0mm；干燥温度45±2℃；
d、对干燥后的吸附芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒表面喷洒乳酸钙和酵母膏混合溶液，并对载体进行第二次干燥；
（2）、包裹载体表面
将偏高岭土或粉煤灰与激发剂进行拌合，制备成喷液，对载体颗粒表面进行喷涂；偏高岭土或者粉煤灰与激发剂的质量比为0.6~1.0：1；所述激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；
将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。
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