CN109133704A - 一种微生物修复水泥基材料的制备方法 - Google Patents

一种微生物修复水泥基材料的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种微生物修复水泥基材料的制备方法，属于建筑材料技术领域。本发明以多壁碳纳米管作为科氏芽孢杆菌的载体，聚乙烯醇纤维水溶胶作为多壁碳纳米管的包覆材料，制备一种具有自修复能力的微生物修复水泥基材料；多壁碳纳米管的化学性质应稳定，埋入混凝土后不会对混凝土造成不良影响，且多壁碳纳米管能与混凝土完美结合，有增强增韧的效果，能有效防止混凝土开裂；当混凝土受到冲击开裂时，表面的聚乙烯醇纤维凝胶和多壁碳纳米管破裂，氧气和水分进入，细菌即可恢复新陈代谢功能，呼吸产生二氧化碳，在湿润环境中二氧化碳与水泥基材料中的钙离子反应生成碳酸钙，避免裂缝的进一步扩展。

Description

一种微生物修复水泥基材料的制备方法
技术领域
本发明涉及一种微生物修复水泥基材料的制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
混凝土材料具有较高的抗压强度、良好的耐久性以及较低的成本，因此已广泛应用于建筑工程、桥梁工程、水利电力和核电工程、港口和海洋工程等现代土木工程中，目前又向着大跨结构、高耸结构、巨型结构和特种结构应用与发展。未来相当长时间内，混凝土仍将是世界土木工程不可缺少的、最主要的建设材料。然而，混凝土材料由于在长期的使用过程中以及周围复杂环境的影响下，会不可避免地产生微小裂缝等局部损伤。混凝土受损伤后，将对结构的使用性能和耐久性产生诸多不利影响，例如：钢筋锈蚀，降低结构的耐久性和承载力；降低结构抵抗介质传输的能力，甚至造成渗漏；降低结构的刚度，增大变形量等等。因此混凝土产生裂缝等损伤之后，轻者会降低结构的使用寿命，重则危及结构的安全。
混凝土对裂缝本身就具有微弱的自修复功能，随着外界物质的进入，通过自身水化作用和碳化作用修复微小裂缝。但这种依靠自身水化作用或碳化作用的裂缝自修复能力是极其微弱的，无法满足严酷环境下需长期服役的土木工程结构的要求。随着建筑材料和结构智能化进程的推进，一系列智能化土木工程设施和技术被提出，并将研究往更深层推进。到目前为止，各种研究报告如采用中空纤维或胶囊固载具有修复特性的高分子聚合物，采用形状记忆材料施加收缩应力闭合裂缝，外掺矿物掺合料提高矿物反应程度以提高混凝土缺陷修复效率等等，能够在一定程度上发挥裂缝修复作用。但这些所谓的裂缝修复系统造价高昂，往往无法投入工程实际应用。
理想的自修复混凝土的自修复机制或自修复组分应满足以下几点特性：
（1）能够修复新形成的、将降低水泥基材料抗渗透性能的裂缝；
（2）必须与混凝土基体材料兼容，不能给混凝土的性能带来负面的影响；
（3）是水泥基材料的组分之一，能够主动地修复；
（4）能长期维持其修复裂缝的功效；
（5）类似于催化剂作用，在裂缝修复过程中不被消耗；
（6）具有合理的经济性。除此之外，衡量自修复能力还应包括对开裂部位的准确定位和快速响应。
与微生物诱导矿化被动修复技术不同的是，微生物自修复混凝土选用的是一类好氧细菌，具有优异的耐碱能力，并且其好氧特性能使细菌在没有开裂的基材内长期处于休眠状态，而当开裂发生时，随着氧气和水分的进入，微生物能够及时从休眠状态中复活，并保持活性状态诱导矿化修复裂缝。微生物的好氧特性也决定了其在完好混凝土内部的长期休眠特性，研究表明，合适的细菌掺量和外加钙源并不会影响水泥基材料性能。这在一定程度上也印证了微生物修复混凝土裂缝的可行性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题：针对现有混凝土内部植入其他材料可能会影响其整体性和耐久性的问题，提供了一种微生物修复水泥基材料的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
（1）液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，恒温培养处理，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释，得含菌稀释液；
（2）将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空2～4h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置1～2天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，预冻处理，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，冷冻干燥处理，得微生物修复水泥基材料。
步骤（1）所述的恒温培养处理为在温度为25～30℃，转速为110～120r/min下恒温培养20～24h。
步骤（1）所述的将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.40～0.80。
步骤（2）所述的聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀。
步骤（2）所述的复合碳纳米管和悬浊液按质量比1∶2混合。
步骤（2）所述的预冻处理为在-10～-20℃预冻处理1～2天。
步骤（2）所述的冷冻干燥处理为在温度为-40～-20℃、真空度为10～20Pa的条件下，冷冻干燥20～24h。
本发明与其他方法相比，有益技术效果是：
（1）本发明以多壁碳纳米管作为科氏芽孢杆菌的载体，聚乙烯醇纤维水溶胶作为多壁碳纳米管的包覆材料，制备一种具有自修复能力的微生物修复水泥基材料；科氏芽孢杆菌在生存环境较差，如干燥、缺氧时，该芽孢杆菌会以孢子的形态休眠，可以长期在混凝土中存活；多壁碳纳米管具有高模量和高强度，能够长时间贮藏嗜碱微生物而不与其发生反应，同时还具备较强的抗腐蚀性，能抵御来自外界的侵蚀，多壁碳纳米管的化学性质应稳定，埋入混凝土后不会对混凝土造成不良影响，且多壁碳纳米管能与混凝土完美结合，有增强增韧的效果，能有效防止混凝土开裂；聚乙烯醇纤维能提高混凝土的抗拉强度，在结构形成和受力破坏的过程中，能有效地提高复合材料受力前后阻止裂缝出现与扩展的能力，混凝土凝固后，握裹水泥的高强纤维粘结成致密的乱向分布的网状增强体系，从而提高了混凝土的韧性和整体强度，当混凝土受到冲击时，纤维能吸收大量的能量，从而起到减少了集中应力的作用，纤维还对水泥裂缝有搭接作用，对分离的水泥块有牵连作用；
（2）当混凝土受到冲击开裂时，表面的聚乙烯醇纤维凝胶和多壁碳纳米管破裂，氧气和水分进入，细菌即可恢复新陈代谢功能，呼吸产生二氧化碳，在湿润环境中二氧化碳与水泥基材料中的钙离子反应生成碳酸钙，避免裂缝的进一步扩展。
具体实施方式
液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，在温度为25～30℃，转速为110～120r/min下恒温培养20～24h，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.40～0.80，得含菌稀释液；将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空2～4h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置1～2天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，在-10～-20℃预冻处理1～2天，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，在温度为-40～-20℃、真空度为10～20Pa的条件下，冷冻干燥20～24h，得微生物修复水泥基材料。
液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，在温度为25℃，转速为110r/min下恒温培养20h，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.40，得含菌稀释液；将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空2h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置1天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，在-10℃预冻处理1天，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，在温度为-20℃、真空度为10Pa的条件下，冷冻干燥20h，得微生物修复水泥基材料。
液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，在温度为28℃，转速为115r/min下恒温培养22h，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.60，得含菌稀释液；将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空3h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置1天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，在-15℃预冻处理1天，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，在温度为-30℃、真空度为15Pa的条件下，冷冻干燥22h，得微生物修复水泥基材料。
液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，在温度为30℃，转速为120r/min下恒温培养24h，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.80，得含菌稀释液；将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空4h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置2天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，在-20℃预冻处理2天，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，在温度为-40℃、真空度为20Pa的条件下，冷冻干燥24h，得微生物修复水泥基材料。
对照例：东莞某公司生产的微生物修复水泥基材料。
将实例及对照例的微生物修复水泥基材料进行检测，具体检测如下：
测试经微生物修复后的水泥基材料的抗压强度和弯曲抗弯强度以表征微生物修复的功效。
吸水率：将试件从营养液中取出，拭干表面溶液，称量试件质量，然后将试件放入50℃烘箱中，烘干至恒重，并称量试件质量。按公式计算吸水率。
具体检测结果如表1。
表1性能表征对比表
由表1可知，本发明制备的微生物修复水泥基材料具有良好的抗压强度和吸水率。

Claims (7)

1.一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于具体步骤为：
（1）液体培养基按质量百分比组分由超纯水60.0%、蛋白胨22.0%、牛肉膏16.0%、碳酸氢钠0.90%、碳酸钠1.10%组成，将芽孢杆菌接种至液体培养基后，将其置于恒温摇床内，恒温培养处理，得到含芽孢杆菌的菌液，将培养所得菌液用去离子水稀释，得含菌稀释液；
（2）将多壁碳纳米管置于密闭装置中，连续抽真空2～4h，将含菌稀释液在大气压的作用下被吸进多壁碳纳米管，保持真空环境静置1～2天后取出，得复合碳纳米管，将聚乙烯醇纤维素和去离子水混合均匀，得悬浊液，按质量比1∶2将复合碳纳米管加入到悬浊液中搅拌均匀，得气凝胶，预冻处理，得预冻气凝胶，将预冻气凝胶放入冷冻干燥机中，冷冻干燥处理，得微生物修复水泥基材料。
2.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的恒温培养处理为在温度为25～30℃，转速为110～120r/min下恒温培养20～24h。
3.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（1）所述的将培养所得菌液用去离子水稀释至OD600值为0.40～0.80。
4.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的聚乙烯醇纤维素和去离子水按质量比1∶6混合均匀。
5.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的复合碳纳米管和悬浊液按质量比1∶2混合。
6.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的预冻处理为在-10～-20℃预冻处理1～2天。
7.根据权利要求1所述的一种微生物修复水泥基材料的制备方法，其特征在于：步骤（2）所述的冷冻干燥处理为在温度为-40～-20℃、真空度为10～20Pa的条件下，冷冻干燥20～24h。
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