CN108017337A - 微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法 - Google Patents

微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法，其组分为载有微生物修复剂和营养物质的自修复颗粒、水泥、石子、砂、硅灰、水、聚丙烯纤维、铝酸钠液态速凝剂、聚羧酸高效聚羧酸高效减水剂。以具有矿化沉积特性的微生物作为喷射混凝土裂缝修复剂，以高孔隙率的膨胀珍珠岩或粉煤灰陶砂等作为修复剂的载体；将营养物质喷涂在载体表面，并采用隔离层将其与水泥基材料隔开。通过微生物修复剂在新陈代谢过程中产生的碳酸钙沉淀对混凝土裂缝进行修复，提高喷射混凝土在服役期间的裂缝自修复能力，从而改善喷射混凝土的抗渗性能和耐久性。本发明裂缝自修复喷射混凝土作为一种兼具裂缝自诊断和自修复喷射混凝土材料，具有很大的研究价值和应用潜力。

Description

微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土材料领域，具体为一种微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法。
背景技术
喷射混凝土是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的拌合料，通过管道输送并以高速喷射到受喷面（岩石壁面，模板，旧建筑物）上凝结硬化而成的一种混凝土。喷射混凝土与普通混凝土的本质区别在于其施工方法特殊，它采用混凝土喷射机直接喷射到施工部位，不用支模仅依靠在混凝土中掺加速凝剂，在很短时间内就能使混凝土凝结硬化，被喷射的岩石或结构物得到加强和保护。正是由于喷射混凝土施工简便、施工场地不受限制、机动灵活、节省工期等优点，喷射混凝土被广泛地应用在世界各地隧道工程、地下工程、桥梁工程和修复加固工程等工程领域。
喷射混凝土与混凝土一样，在其服役过程中难免会产生裂缝和局部损伤，受到酸腐蚀、氯离子侵蚀、碳化等作用的影响。如果不及时采取有效处理措施，该裂缝可能会进一步扩展，最终导致喷射混凝土材料力学性能和耐久性显著降低从而诱发工程灾害。此外，在寒冷、严寒地区的隧道工程、地下工程等工程应用中，所喷射的混凝土衬砌层经常产生裂缝，由于地下水的影响，该裂缝将导致渗水问题，一旦气温降低，进一步将引发混凝土的冻胀开裂，产生更大的裂缝。
对于服役过程中喷射混凝土结构裂缝的诊断和修复是一个长期困扰土木工程人员的技术难题。目前喷射混凝土裂缝主要的修复方法为事后修复或者定时修复，然而喷射混凝土主要应用在隧道工程、地下工程等工程领域，这使得喷射混凝土裂缝的修复过程较为繁复，而且这种被动、有计划的修复方式大多针对肉眼可见的裂缝。此外，在实际的喷射混凝土多处于带裂缝工作状态，即喷射混凝土内部存在许多微裂纹，由于当前探测技术的局限性，诊断并修复这些微裂纹仍存在较大的难度。因此，有必要研制出一种能够实现裂缝自诊断和自修复的喷射混凝土材料，易满足当前对喷射混凝土材料的特殊要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种微生物裂缝自修复喷射混凝土及其制备方法。
本发明是采用如下技术方案实现的：
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：
载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒80~150份，水泥400~450份，石子800~1000份，砂900~1300份，硅灰30~40份，水150~200份，聚羧酸高效减水剂3~5份，聚丙烯纤维0.9~1.2份，铝酸钠液态速凝剂30~35份。
其中，石子的粒径：5~12mm，级配为满足规范要求的连续级配。
自修复颗粒内的微生物修复剂是以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物（如科式芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌或好氧嗜碱性、兼性嗜碱性菌群）。
载有微生物修复剂的载体采用具有高孔隙率、形状规则、与水泥基材料兼容性强、价格低廉等特征的膨胀珍珠岩、粉煤灰陶砂等轻质多孔材料，载体粒径为1mm~3mm。
载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒制备中，将微生物修复剂首先吸附至载体内部，然后将营养物质喷涂在载体表面，并通过隔离层将营养物质与水泥基材料隔开，防止混凝土制备过程中营养物质流失至混凝土基体其他部位，对混凝土力学性能和耐久性可能产生不利影响。自修复颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
（1）、筛选以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物（科式芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌或好氧嗜碱性、兼性嗜碱性菌群），对菌株进行纯化和培养；制备微生物的培养基：
a.科氏芽孢杆菌：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g；
b.巴氏芽孢杆菌：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，酵母粉5g、三甲基甘氨酸4.5g、胰蛋白胨10g、硫酸铵5g、谷氨基酸2g、尿素10g；
c.好氧嗜碱性或兼性嗜碱性菌群：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g。
（2）、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9，121℃高温灭菌30min，然后将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24h；将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20min，获得菌泥。
（3）、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载体颗粒（每升菌液对应的载体用量为400~450g）的表面和内部孔隙中。
（4）、对上述吸附微生物的载体颗粒在45±2℃温度下进行干燥。
（5）、制备一定量的水泥与乳酸钙溶液配制的浆体（每升载体对的浆体各组成成分含量：乳酸钙60g，水泥200g，水400g）。
（6）、将上述浆体添加到喷枪的料筒中，调节空压机的气压（压力 设定为0.4~0.6MPa），然后在载体表面喷洒第一层。
（7）、喷洒完成后，将载体在室温下存放12h后在40℃温度下烘干，进行第二次外包裹处理。
（8）、利用偏高岭土与硅酸钠溶液配制的浆体（每升载体对的浆体各组成成分含量：偏高岭土400g，水玻璃450g，水300g）在载体表面喷洒第二层。
（9）、将上述所得载体在室温下存放12h后在40℃温度下烘干。
使用微生物的裂缝自修复喷射混凝土制备方法，如下：
首先将所述重量份数的经外包裹处理的载体颗粒与预湿用水投入搅拌机中，拌和30s，其中预湿用水质量为经包裹处理载体用量的35%。然后将所述重量份数的砂、石子、与聚丙烯纤维投入搅拌机中，拌合60s，再将第一次搅拌所得的混合料和所述重量份数的水泥、硅灰、投入搅拌机中拌和60s，最后将聚羧酸高效减水剂与剩余用水搅拌后投入搅拌机中，搅拌3~4min后，将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴和速凝剂混合后，即得到所述的裂缝自修复喷射混凝土。使用时用压缩空气进行喷灌。
本发明所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土具有如下特点：
第一，所使用的微生物对混凝土中的高碱性环境适应性很强，在干燥环境下微生物处于休眠状态。
第二、所采用的微生物在代谢过程中所产生的修复介质（碳酸钙）具有良好的耐久性和体积稳定性，且与水泥石相溶性较好。
第三、微生物的载体采用性能稳定、价格低廉的膨胀珍珠岩或粉煤灰陶砂等，在喷射混凝土制备和服役过程中，载体的高孔隙率可以对微生物的生存和代谢提供有效保护，延长其寿命。同时，上述该类型载体形状规则，加入混凝土中可避免应力集中现象，适用于大体积混凝土。
第四、本发明中采用的载体，不但为微生物提供了一个生存的空间，而且通过用水泥浆体和营养物质包裹载体表面，然后再用偏高岭土对载体进行包裹，形成一个隔离层，避免营养物质在混凝土制备过程中流失现象的发生，有效避免营养物质对混凝土的力学性能和耐久性可能产生的不利影响。
第五、包裹后的载体能够均匀分布在混凝土中，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。
第六、所掺的聚丙烯纤维能够有效地控制混凝土塑性收缩、干缩，温度变化等因素引起的微裂纹，防止或抑制混凝土宽裂缝的形成和发展，更有利于微生物裂缝自修复，从而提高混凝土的耐久性。
本发明设计合理，该微生物裂缝自修复喷射混凝土是一种兼具裂缝自诊断和自修复喷射混凝土材料，符合当前经济社会对建筑材料绿色、环保和智能的要求。
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
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的膨胀珍珠岩80份，水泥400份，石子800份，砂900份，硅灰30份，水150份，聚羧酸高效减水剂3份，聚丙烯纤维0.9份，铝酸钠液态速凝剂30份。
载体颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
载体制备：
（1）、选择科氏芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；制备科氏芽孢杆菌的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g）；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9.0，在121°C高温灭菌30min，然后将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24h；将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20min，获得菌泥；
（2）、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的表面和内部孔隙中；
（3）、对上述吸附科氏芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2℃左右温度下进行干燥；
（4）、利用水泥与乳酸钙溶液配制的浆体在上述膨胀珍珠岩表面喷洒第一层（每升珍珠岩对的浆体各组成成分含量：乳酸钙60g，水泥200g，水400g）。
（5）、喷洒完成后，将珍珠岩在室温下存放12h后在40℃温度下烘干，进行第二次外包裹处理；
（6）、利用偏高岭土与硅酸钠溶液配制的浆体（每升珍珠岩对的浆体各组成成分含量：偏高岭土400g，水玻璃450g，水300g）在珍珠岩表面喷洒第三层（为防止珍珠岩表面附着的乳酸钙损失，喷洒、移动过程中，尽量减少对珍珠岩的扰动）；
（7）、将上述所得膨胀珍珠岩在室温下存放12h后在40℃温度下烘干。
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土制备方法，包括如下步骤：
首先将所述重量份数的经外包裹处理的膨胀珍珠岩与预湿用水投入搅拌机中，拌和30s，其中预湿用水质量为经包裹处理载体用量的35%。然后将所述重量份数的砂、石子、与聚丙烯纤维投入搅拌机中，拌合60s，再将第一次搅拌所得的混合料和所述重量份数的水泥、硅灰、投入搅拌机中拌和60s，最后将聚羧酸高效减水剂与剩余用水搅拌后投入搅拌机中，搅拌3~4min后，将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴和速凝剂混合后，再用压缩空气进行喷灌即得到所述的裂缝自修复喷射混凝土。
实施例2
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的膨胀珍珠岩90份，水泥410份，石子850份，砂1050份，硅灰32份，水170份，聚羧酸高效减水剂4份，聚丙烯纤维1.0份，铝酸钠液态速凝剂31份。
选择巴氏芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；制备巴氏芽孢杆菌的培养基（蒸馏水1L，酵母粉5g、三甲基甘氨酸4.5g、胰蛋白胨10g、硫酸铵5g、谷氨基酸2g、尿素10g）。
其余实施步骤同实施例1。
实施例3
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的膨胀珍珠岩100份，水泥420份，石子900份，砂1100份，硅灰34份，水190份，聚羧酸高效减水剂5份，聚丙烯纤维1.2份，铝酸钠液态速凝剂32份。
所用微生物为自行筛选的好氧嗜碱性菌群；制备微生物培养基（蒸馏水1L，胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g）。
其余实施步骤同实施例1。
实施例4
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的粉煤灰陶砂110份，水泥430份，石子950份，砂1100份，硅灰36份，水200份，聚羧酸高效减水剂5份，聚丙烯纤维1.2份，铝酸钠液态速凝剂33份。
载体颗粒的制备方法包括以下工艺流程：
载体制备：
（1）、选择科氏芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；制备科氏芽孢杆菌的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g）；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9.0，在121°C高温灭菌30min，然后将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24h；将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20min，获得菌泥；
（2）、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粉煤灰陶砂的表面和内部孔隙中；
（3）、对上述吸附科氏芽孢杆菌的粉煤灰陶砂在45±℃温度下进行干燥；
（4）、利用水泥与乳酸钙溶液配制的浆体在上述粉煤灰陶砂表面喷洒第一层（每升粉煤灰陶砂对的浆体各组成成分含量：乳酸钙60g，水泥200g，水400g）；
（5）、喷洒完成后，将粉煤灰陶砂在室温下存放12h后在40℃温度下烘干，进行第二次外包裹处理；
（6）、利用偏高岭土与硅酸钠溶液配制的浆体（每升粉煤灰陶砂对的浆体各组成成分含量：偏高岭土400g，水玻璃450g，水300g）在粉煤灰陶砂表面喷洒第三层（为防止载体表面附着的乳酸钙损失，喷洒、移动过程中，尽量减少对载体的扰动）；
（7）、将上述所得粉煤灰陶砂在室温下存放12h后在40℃温度下烘干。
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土制备方法，包括如下步骤：
首先将所述重量份数的经外包裹处理的载体颗粒与预湿用水投入搅拌机中，拌和30s，其中预湿用水质量为经包裹处理载体用量的35%。然后将所述重量份数的砂、石子、与聚丙烯纤维投入搅拌机中，拌合60s，再将第一次搅拌所得的混合料和所述重量份数的水泥、硅灰、投入搅拌机中拌和60s，最后将聚羧酸高效减水剂与剩余用水搅拌后投入搅拌机中，搅拌3~4min后，将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴和速凝剂混合后，再用压缩空气进行喷灌即得到所述的裂缝自修复喷射混凝土。
实施例5
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的粉煤灰陶砂120份，水泥450份，石子1000份，砂1200份，硅灰38份，水200份，聚羧酸高效减水剂5份，聚丙烯纤维1.1份，铝酸钠液态速凝剂34份。
选择巴氏芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；制备巴氏芽孢杆菌的培养基（蒸馏水1L，酵母粉5g、三甲基甘氨酸4.5g、胰蛋白胨10g、硫酸铵5g、谷氨基酸2g、尿素10g）。
其余实施步骤同实施例4。
实施例6
一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，由下列重量份数的原料制成：载有微生物和营养物质的粉煤灰陶砂150份，水泥430份，石子1000份，砂1300份，硅灰40份，水200份，聚羧酸高效减水剂4份，聚丙烯纤维0.9份，铝酸钠液态速凝剂35份。
所用微生物为自行筛选的兼性嗜碱性菌群；制备微生物培养基（蒸馏水1L，胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g）。
其余实施步骤同实施例4。
总之，微生物裂缝自修复喷射混凝土以具有矿化沉积特性的微生物作为喷射混凝土裂缝修复剂，以高孔隙率的膨胀珍珠岩或粉煤灰陶砂等作为修复剂的载体；将营养物质喷涂在载体表面，并采用隔离层将其与水泥基材料隔开。通过微生物修复剂在新陈代谢过程中产生的碳酸钙沉淀对混凝土裂缝进行修复，提高喷射混凝土在服役期间的裂缝自修复能力，从而改善喷射混凝土的抗渗性能和耐久性。该裂缝自修复喷射混凝土作为一种兼具裂缝自诊断和自修复喷射混凝土材料，具有很大的研究价值和应用潜力。
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 (10)

1.一种微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：由下列重量份数的原料制成：载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒80~150份，水泥400~450份，石子800~1000份，砂900~1300份，硅灰30~40份，水150~200份，聚羧酸高效减水剂3~5份，聚丙烯纤维0.9~1.2份，铝酸钠液态速凝剂30~35份。
2.根据权利要求1所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：自修复颗粒中使用的微生物是能够通过自身的新陈代谢矿化沉积出碳酸钙的微生物。
3.根据权利要求2所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：微生物为科氏芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌或好氧嗜碱性、兼性嗜碱性菌群；微生物的载体采用具有高孔隙率、形状规则、与水泥基材料兼容性强的轻质多孔材料，载体粒径为1mm~3mm。
4.根据权利要求3所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：所述轻质多孔材料选择膨胀珍珠岩或者粉煤灰陶砂。
5.根据权利要求1所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒的具体制备方法如下：
（1）、微生物为具有以乳酸盐为基质合成碳酸盐能力的微生物，选择科氏芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌或好氧嗜碱性、兼性嗜碱性菌群；并将微生物种接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24h；
（2）、采用离心法，以4000r/min转速离心20min收集菌泥，对菌泥进行重悬，制得菌体浓度为（4.0~5.5）×106个/mL的菌体悬浮液，采用真空浸渍法将菌液浸渍到载体颗粒的表面和内部孔隙中并在45±2℃温度下进行干燥；
（3）、利用水泥与乳酸钙溶液配制的浆体在上述干燥所得载体表面喷洒第一层；
（4）、喷洒完成后，将载体在室温下存放12h后在40℃温度下烘干；
（5）、利用偏高岭土与硅酸钠溶液配制的浆体，在载体表面喷洒第二层；
（6）、将上述所得载体在室温下存放12h后在40℃温度下烘干。
6.根据权利要求5所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：步骤（1）中，微生物培养基如下：
科氏芽孢杆菌：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g；
巴氏芽孢杆菌：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，酵母粉5g、三甲基甘氨酸4.5g、胰蛋白胨10g、硫酸铵5g、谷氨基酸2g、尿素10g；
好氧嗜碱性、兼性嗜碱性菌群：每升各组成成分含量：蒸馏水1L，胰蛋白胨10g、酵母提取物5g、氯化钠10g。
7.根据权利要求5所述载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒制备方法，其特征在于：步骤（3）中浆体的制备方法如下：
每升载体对的浆体各组成成分含量：乳酸钙60g，水泥200g，水400g。
8.根据权利要求5所述载有裂缝修复剂和营养物质的自修复颗粒制备方法，其特征在于：步骤（5）中浆体的制备方法如下：
每升载体对的浆体各组成成分含量：偏高岭土400g，水玻璃450g，水300g。
9.根据权利要求1所述的微生物裂缝自修复喷射混凝土，其特征在于：所述聚丙烯纤维的抗拉强度为280~300N/mm2，直径为80~90μm，长度为15~25mm。
10.一种微生物裂缝自修复喷射混凝土的制备方法，其特征在于：步骤如下：
首先将经外包裹处理的载体颗粒与预湿用水投入搅拌机中，拌和30s，其中预湿用水质量为经包裹处理载体用量的35%；然后将砂、石子、与聚丙烯纤维投入搅拌机中，拌合60s，再将第一次搅拌所得的混合料和水泥、硅灰、投入搅拌机中拌和60s，最后将聚羧酸高效减水剂与剩余用水搅拌后投入搅拌机中，搅拌3~4min后，将拌好的混凝土通过压浆泵送至喷嘴和速凝剂混合后，即得到裂缝自修复喷射混凝土。
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