CN110282903B - 修复混凝土裂缝的微胶囊及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种修复混凝土裂缝的微胶囊，该微胶囊包括壁材、夹层和芯材，所述壁材为水泥基材料，所述芯材为细菌修复剂，所述夹层为不溶性水泥缓凝剂；另一方面，还提供该修复混凝土裂缝的微胶囊制备方法。该微胶囊可以耐受搅拌水泥时的强剪切力，尤其微胶囊的水泥外壳能够随水泥结构中裂缝的形成而开裂，进而释放细菌修复剂，启动裂缝的修复。该水泥外壳随水泥结构裂缝形成而开裂的概率高达70％，同时，在水泥试块中，该微胶囊中细菌的存活率比无水泥外壳芯材中细菌的存活率提高了40％。

Description

修复混凝土裂缝的微胶囊及其制备方法

[技术领域]

本发明属于微生物混凝土自修复领域，具体涉及用于修复混凝土裂缝的微胶囊及其制备方法。

[背景技术]

混凝土因其耐久性强、结构牢固、价格低廉、原料丰富等特点被广泛应用于土木工程领域。然而，随着使用年限的增加及各种环境条件的影响和改变，混凝土会出现裂缝。如果不及时采取有效的处理措施，一旦裂缝扩大，各种不利因素将会腐蚀其内部钢筋结构，导致混凝土完整性破坏，耐久性能随之减弱。国内外专家基于好氧菌矿化机理研究提出了利用好氧微生物自修复混凝土的设想。在混凝土成型时掺入好氧型嗜碱菌的芽孢及所需的营养质，当混凝土开裂，外界的氧气和水分等物质渗入，处于休眠状态的芽孢被激活萌发并恢复其新陈代谢功能，通过利用事先掺入的营养物质，不断诱导产生碳酸钙沉积，从而修复混凝土裂缝，避免有害物质进入混凝土内部锈蚀钢筋。

为了更好的保护芽孢能够安全度过水化期和长时间存在于混凝土内部而不被压碎至死以及保证芽孢包埋入混凝土后的活性不受影响，许多国内外学者在保护微生物的载体选择上进行了相关的尝试，如聚亚安酯、硅胶、硅藻土、黏土陶粒、海藻酸钠、琼脂等。然而，携带微生物细胞的载体预埋入混凝土后，载体并不能够完全使得微生物细胞与混凝土隔绝，而且在混凝土搅拌和固化的过程中仍然会损害微生物细胞的矿化活性。

面对这些弱点，本专利通过制备生物微胶囊实现对微生物芽孢在混凝土裂缝产生前的封闭式保护，生物微胶囊在裂缝产生时又能快速破裂并释放出微生物芽孢实现对混凝土裂缝的快速修复。

[发明内容]

本发明针对现有技术的不足，目的在于提供一种修复混凝土裂缝的微胶囊及其制备方法。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为：

一种修复混凝土裂缝的微胶囊，该微胶囊包括壁材、夹层和芯材。

上述方案中，所述壁材为水泥基材料，所述芯材为细菌修复剂，所述夹层为不溶性水泥缓凝剂。

上述方案中，所述水泥基材料为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥中的一种或多种。

上述方案中，所述细菌修复剂包括细菌载体，细菌芽孢，营养物质，芽孢萌发剂。

进一步地，所述细菌载体为硅藻土、微晶纤维素、粉煤灰、黏土、淀粉中的任意一种或多种的混合物。

进一步地，所述细菌芽孢为嗜碱性芽孢杆菌的休眠孢子，具体为科氏芽孢杆菌，假坚强芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌中的任意一种或多种的混合物。

进一步地，所述营养物质为细菌可利用并将其转化为碳酸钙的各种有机或无机碳源，具体为酵母粉、蛋白胨、乳酸钙、柠檬酸钙、丙氨酸钙、乙酸钙、硝酸钠、氯化铵、淀粉中的一种或多种的混合物。

进一步地，所述芽孢萌发剂为肌苷、丙氨酸、葡萄糖、果糖、2,6-吡啶二羧酸中的一种或多种的混合物。

上述方案中，所述细菌修复剂各组分质量百分比：细菌载体70％-95％，孢子粉1％-10％，营养物质5％-30％，芽孢萌发剂0.1％-5％。

另一方面，提供一种上述修复混凝土裂缝的微胶囊制备方法，包括如下步骤：

步骤1，按上述组分质量百分比配置细菌修复剂，将所有细菌修复剂的成分混合均匀，向混合粉末中加入质量比为5％-15％的水，搅拌均匀，并揉成直径1-10mm的球形颗粒，将球形颗粒置于37℃恒温培养箱中烘干24-72小时，获得干燥的芯材；

步骤2，配制10％-60％(w/w)的淀粉悬浮液，将干燥的芯材置于淀粉悬浮液中片刻后立即取出，使小球包裹一层淀粉悬浮液；

步骤3，配制水灰比为0.25-0.4的水泥，在裹有淀粉的芯材表面裹一层厚度约为0.2-2mm的水泥外壳并攒成球形，在20℃，湿度90％的条件下养护12-48小时，即获得上述方案中以水泥为壁材的微胶囊。

进一步地，在步骤1之前还进行细菌芽孢的制备。

本发明技术方案的有益效果在于：该微胶囊可以耐受搅拌水泥时的强剪切力，尤其微胶囊的水泥外壳能够随水泥结构中裂缝的形成而开裂，进而释放细菌修复剂，启动裂缝的修复。该水泥外壳随水泥结构裂缝形成而开裂的概率高达70％，同时，在水泥试块中，该微胶囊中细菌的存活率比无水泥外壳芯材中细菌的存活率提高了40％。

[附图说明]

图1为本发明制备的微胶囊照片。

图2为本发明包埋微胶囊的水泥试块裂缝被修复的显微照片。

图3为未包埋该微胶囊的水泥试块裂缝未被修复的显微照片。

[具体实施方式]

以下对本发明进行进一步详细说明。但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明用于修复混凝土裂缝的微胶囊通过如下方法制备得到：

1)细菌芽孢的制备。

采用深圳大学专利《一株高效钙矿化嗜碱芽孢杆菌及其应用》申请号：2014104781490，所公开的菌株Bacillus sp.H4，保藏号为CGMCC NO.9629。将菌株H4在碱性LB固体培养基平板上用接种环划线，30℃倒置培养16-20小时。用灼烧灭菌的接种环挑平板表面菌落接种于碱性LB培养液，培养液盛于容积为250ml的三角瓶中，每瓶培养液体积为50ml，将接种过的三角瓶置于恒温震荡培养箱中，30℃，150rpm培养16-20小时，之后用10ml微量移液器吸取8ml这种含有大量细菌的发酵液，加入MMN-1促芽孢形成培养液，该MMN-1培养液盛于容积为500ml的三角瓶中，每瓶培养液体积为100ml，将接种过的三角瓶置于恒温震荡培养箱中，30℃，150rpm培养5-7天，之后将这种含有大量芽孢的发酵液进行离心，离心力为6000×g，离心时间为10分钟，离心后倾倒舍弃上清液，并向芽孢沉淀中加去离子水震荡重悬芽孢，再次离心，离心力为6000×g，离心时间为10分钟，重复以上操作洗涤芽孢8-10次。将最后一次的芽孢沉淀用洗净的药匙取出，平铺于直径15cm的玻璃培养皿中，将盛有芽孢沉淀的培养皿放入-80℃冰箱2-4小时，直至芽孢沉淀被冷冻为固体，再将该培养皿放入冷冻干燥机进行冻干，温度-55℃，时间48-96小时，直至芽孢沉淀变为干粉状。将芽孢干粉盛于蓝盖广口螺口瓶中，将该瓶置于上海越磁公司的PC-3型塑料真空干燥器中，将抽气阀打开，与真空泵连接，抽真空，直至真空表读数达到-0.1Mpa，关闭抽气阀，将该真空干燥器置于室温保存备用。

本实施例所用碱性LB固体培养基的组成和制备方法如下：酵母粉5g/L，胰蛋白胨10g/L，碳酸钠5.3g/L，碳酸氢钠4.2g/L，琼脂粉15g/L；按以上浓度称量酵母粉、胰蛋白胨和琼脂粉溶解于270ml水中；称量碳酸钠和碳酸氢钠溶解于30ml水中；两种溶液灭菌后于无菌超净工作台中趁热混匀，并倒入直径9cm的一次性无菌塑料培养皿中，每个培养皿20ml左右，冷却10-20分钟，待培养基凝固即可。

本实施例所用碱性LB培养液的组成和制备方法如下：酵母粉5g/L，胰蛋白胨10g/L，碳酸钠5.3g/L，碳酸氢钠4.2g/L；按以上浓度称量酵母粉、胰蛋白胨溶解于900ml水中；称量碳酸钠溶解于100ml水中；两种溶液灭菌后于无菌超净工作台中混匀，分装于灭菌的250ml三角瓶中，每瓶50ml。

本实施例所用MMN培养基组分和制备方法如下，淀粉1g/L，酵母粉3g/L，硝酸钾3.75mM，氯化铵3.7mM，磷酸二氢钾0.15mM，氯化钙1.53mM，氯化钾2.68mM，氯化镁1mM，乳酸钠10mM，碳酸钠50mM，碳酸氢钠50mM。按以上浓度称量碳酸钠和碳酸氢钠溶解于100ml去离子水中，分装于15ml离心管中，每管10ml；称量其它成分溶解于900ml去离子水中，分装于500ml三角瓶中，每瓶90ml；灭菌后，取装有10ml的碳酸钠-碳酸氢钠溶液的离心管，将溶液倒入上述盛有90ml培养液的三角瓶中，每个三角瓶中加1个离心管碳酸钠-碳酸氢钠溶液，混匀即可。

2)微胶囊的制备。取硝酸钠粉、乳酸钠粉、芽孢干粉、肌苷粉，微晶纤维素分别用研钵研磨，用100目的筛网过筛，收集漏过网眼的粉末备用。将以上所有细菌修复剂的成分按5:20:1:2:60的比例混合均匀，以1:10的质量比例(水：混合粉末)向混合粉末中加入水，搅拌均匀，并手工揉成直径2-4mm的球形颗粒。将球形颗粒置于37℃恒温培养箱中烘干24-72小时，获得干燥的芯材。配制60％(w/w)的淀粉悬浮液，将干燥的芯材置于淀粉悬浮液中片刻后立即取出，使小球包裹一层淀粉悬浮液。配制水灰比为0.3的水泥，用手在裹有淀粉的芯材表面裹一层水泥并攒成球形，在20℃，湿度90％的条件下养护12小时，即获得如图1中所示以水泥为壁材的微胶囊，其中芯材直径为2-4mm，淀粉层厚度约为0.2mm，水泥壁材厚度约为0.5-2mm，其中芯材：淀粉夹层：水泥壁材的尺寸比为10-20:1:2.5-10。

水泥外壳开裂百分比检测。

将上述制备所得水泥为壁材的胶囊型细菌修复剂包埋入微型水泥试块，在温度为20±3℃、相对湿度在90％以上的环境中养护28天，用万能压力机进行劈裂，并计算随着试块开裂，水泥外壳开裂的试块个数占试块总数的百分比，即为水泥外壳开裂百分比。实验发现，按照该方法制备的以水泥为壁材的细菌修复剂的水泥外壳开裂百分比高达70％。

水泥外壳的对细菌的保护作用。

将水泥外壳包裹的修复剂轻轻从破裂的外壳中取出，放入盛有10ml浓度为100mM碳酸氢钠溶液的三角瓶中，30℃，175rpm震荡1小时，使芽孢进入溶液中，采用活菌菌落计数法检测溶液中的活菌浓度；以未包覆水泥外壳的细菌修复剂包埋入水泥试块作为对照，采用相同方法检测未包覆水泥外壳细菌修复剂的活菌浓度，按以下公式计算水泥外壳保护作用下细菌存活率的提高百分比：

细菌存活率提高百分比＝(水泥外壳为壁材细菌修复剂活菌含量÷无水泥外壳细菌修复剂活菌含量-1)×100％。

实验发现，无水泥外壳保护条件下，细菌存活率仅为9.4±1.6％；在水泥外壳的保护下，细菌存活率高达13.1±2.2％,提高了近40％，可见水泥外壳能够为细菌度过水泥水化期提供保护。

裂缝修复效果表征

将上述开裂检测中劈裂的水泥试块合并，采用透明胶带扎紧。将试块浸泡于水中，30天后，观察裂缝修复效果。实验结果如图2所示，包埋微胶囊的水泥试块裂缝被完全修复的显微照片，以及对比相同条件下没有包埋微胶囊的水泥试块如图3所示，未包埋微胶囊的水泥试块的显微照片仍然具有裂缝。

凡是属于本发明原理的技术方案均属于本发明的保护范围。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明的原理的前提下进行的若干改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.修复混凝土裂缝的微胶囊，其特征在于，该微胶囊包括壁材、夹层和芯材，所述壁材为水泥基材料，所述芯材为细菌修复剂，所述夹层为不溶性水泥缓凝剂；所述细菌修复剂包括细菌载体，细菌芽孢，营养物质，芽孢萌发剂；所述细菌修复剂各组分质量百分比：细菌载体70%-95%，孢子粉1%-10%，营养物质5%-30%，芽孢萌发剂0.1%-5%。

2.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于，所述水泥基材料为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、火山灰硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、复合硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、磷铝酸盐水泥中的一种或多种。

3.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于，所述细菌载体为硅藻土、微晶纤维素、粉煤灰、黏土、淀粉中的任意一种或多种的混合物。

4.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于，所述细菌芽孢为科氏芽孢杆菌，假坚强芽孢杆菌，巴氏芽孢杆菌中的任意一种或多种的混合物。

5.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于，所述营养物质为酵母粉、蛋白胨、乳酸钙、柠檬酸钙、丙氨酸钙、乙酸钙、硝酸钠、氯化铵、淀粉中的一种或多种的混合物。

6.根据权利要求1所述的微胶囊，其特征在于，所述芽孢萌发剂为肌苷、丙氨酸、葡萄糖、果糖、2,6-吡啶二羧酸中的一种或多种的混合物。

7.修复混凝土裂缝的微胶囊制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，按权利要求1的组分及质量百分比配置细菌修复剂，将所有细菌修复剂的成分混合均匀，向混合粉末中加入质量比为5%-15%的水，搅拌均匀，并揉成直径1-10mm的球形颗粒，将球形颗粒置于37℃恒温培养箱中烘干24-72小时，获得干燥的芯材；

步骤2，配制10%-60%w/w的淀粉悬浮液，将干燥的芯材置于淀粉悬浮液中片刻后立即取出，使小球包裹一层淀粉悬浮液；

步骤3，配制水灰比为0.25-0.4的水泥，在裹有淀粉的芯材表面裹一层水泥外壳并攒成球形，在20℃，湿度90%的条件下养护12-48小时，即获得以水泥为壁材的微胶囊。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在步骤1之前还进行细菌芽孢制备。

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