CN110423065B

CN110423065B - 一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土及制备方法

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Publication number: CN110423065B
Application number: CN201910693044.XA
Authority: CN
Inventors: 刘超; 吕振源; 刘化威; 朱超
Original assignee: Xian University of Architecture and Technology
Current assignee: Xian University of Architecture and Technology
Priority date: 2019-07-30
Filing date: 2019-07-30
Publication date: 2021-10-15
Anticipated expiration: 2039-07-30
Also published as: CN110423065A

Abstract

本发明公开了一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土及制备方法，所述的自修复混凝土包括混凝土配料和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15％～45％；所述的自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成；巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1～1.2，以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30％。本发明采用再生粗骨料载体，解决了以往采用其他载体时，载体力学强度低、微生物活性保持度差、操作不便的问题，同样起到建筑垃圾资源化、微生物自修复的混凝土结构性能好的效果。

Description

一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土及制备方法

技术领域

本发明属于特种建筑材料技术领域，特别是一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土及制备方法。

背景技术

随着时代进程和城市化的不断推进，大量的新城市综合体不断涌现。同时，已有的城市也不断的进行着地标建筑坐落群及其辐射区域的更新换代。这都导致了大量的建筑材料资源被需求。此外，人口密度的不断增长，因其带动的住宅、餐饮、医疗服务及其他公共设施的激增，也极大的加快了建造和拆除所产生的建筑垃圾。全球范围内近十年的大数据统计都指明：大量的建筑垃圾被生产，伴随着随意处置拆建废物、非法倾倒以及缺乏具体规范控制，可能会导致建筑废物掩埋堆填的空间不足和环境的进一步恶化。再生粗骨料，取自废弃建筑，是天然骨料与水泥基水化凝结后形成的产物。其中，再生粗骨料在经历垃圾分级分拣后处于被老旧砂浆包裹呈现出疏松多孔的状态。因此再生骨料的附着砂浆的固有多孔性质使其有作为具有再生粗骨料载体的微生物自修复混凝土载体的可行性，同时其较高的强度能使自修复混凝土的各项性能得到提高。

自然界中芽孢杆菌微生物能通过某些钙矿化反应机制在细胞芽孢处生成一些化合物，从而填塞或黏结接触水氧的有孔介质界面。后来这些物质被证实是一些不同形态的碳酸钙及类碳酸钙无机化合物，这些过程不依赖于环境，完全由菌体控制沉积过程。当有适合的环境时进行钙矿化作用，而在不满足反应条件时进行休眠。绝大多数微生物主要以不同形式沉积碳酸钙，该沉积过程受环境因素影响较大且不涉及特殊的结构形态。由于混凝土的主要成分本质上就是钙盐，因此利用芽孢杆菌微生物这种碳酸钙诱导沉积的能力对混凝土裂缝进行自修复具备可行性，并且芽孢杆菌在碱性环境有着更高效的修复效能使再生粗骨料有着特定的载体优势。

芽孢杆菌微生物主要通过有氧环境下芽孢处形成碳酸钙沉淀实现修复。伴随着碳酸盐平衡的转变(CO₂到HCO₃ ^-和CO₃ ^2-)，混凝土介质中的钙离子与碳酸根离子发生反应，从而向微生物芽孢处聚集形成不溶性的碳酸钙CaCO₃沉积物，使裂缝愈合而达到修复的目的。其矿化过程是有氧呼吸代谢底物产生CO₂，与溶液中的OH^-反应生成HCO₃ ^-，然后在碱性条件下与水泥浆中的Ca²⁺继续反应生成CaCO₃晶体。

然而将混凝土的微生物自修复技术进行工业化应用，还有一系列问题需要解决。其中，如何确保微生物在混凝土硬化过程中保持潜在活性和提高修复效能是至关重要的。只有芽孢杆菌微生物活性的保持才有可能起到促进碳酸钙沉积的作用；只有有效的提高修复效能才能更好发挥自修复混凝土的作用。

最初获取微生物自修复混凝土是将微生物直接掺入混凝土进行拌制。然而，这会导致微生物在混凝土拌制过程中受到破坏，影响了微生物的活性。

为维持微生物的活性，有将微生物与载体材料先行拌和，再将拌和后的载体材料掺入混凝土进行拌制，从而对微生物进行保护。然而常用的载体材料，如膨胀珍珠岩等的加入虽能保证混凝土微生物活性，但是在此过程中会影响混凝土的结构性能，制约了采用载体材料拌制方法的发展。为此，有采用体改性剂包裹膨胀珍珠岩载体以求提高其力学性能。然而，其载体改性剂浓稠，操作不便。

发明内容

本发明的目的在于提供一种添加自修复再生粗骨料的自修复混凝土，修复效能高、环境友好性强、整体强度高、建筑垃圾资源化。

本发明的另一目的在于提供一种添加自修复再生粗骨料的自修复混凝土的制备方法，以获得修复效能高、环境友好性强、整体强度高、易于操作的具有再生粗骨料载体的自修复混凝土。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土，所述的自修复混凝土包括混凝土配料和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15％～45％；

所述的自修复再生粗骨料为载有巴氏芽孢杆菌的再生粗骨料，按质量比计，再生粗骨料：巴氏芽孢杆菌菌体干粉＝1：0.007～0.013。

可选的，所述的自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成；巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1～1.2，菌体浓度为2×10⁹～2.4×10⁹cfu/ml；以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30％。

可选的，所述的再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液的过程为：真空负压0.6Mpa条件下浸渍吸附30～40min。

可选的，其特征在于，所述的再生粗骨料是混凝土建筑垃圾经破碎后形成的碎石料；所述的再生粗骨料的粒径为5～20mm，表观密度2400～2530kg/m³，压碎指标为17.0％～17.4％，含水率为1.33％～1.56％，吸水率为3.83％～4.70％。

可选的，按质量比计，所述的混凝土配料为砂：石：水泥：水＝3.10～3.30:1.55～1.80:1.00～1.25:0.50～0.65。

可选的，所述的水泥为PO 42.5级，密度为3100kg/m³；所述的砂的细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.23～0.50mm；所述的石的表观密度为2670～2800kg/m³，含水量为3.35～3.48％，吸水率为1.77～1.91％。

一种添加再生粗骨料的自修复混凝土的制备方法，所述的自修复混凝土包括混凝土和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15％～45％；所述的自修复再生粗骨料为载有巴氏芽孢杆菌的再生粗骨料，按质量比计，再生粗骨料：巴氏芽孢杆菌菌体干粉＝1：0.007～0.013；

所述的自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成，再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液的过程为：真空负压0.6Mpa条件下浸渍吸附30～40min；

将混凝土配料与自修复再生粗骨料混合拌和即得自修复混凝土。

可选的，巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1～1.2，菌浓度为2×10⁹～2.4×10⁹cfu/ml；以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30％。

可选的，按质量比计，所述的混凝土配料为砂：石：水泥：水＝3.10～3.30:1.55～1.80:1.00～1.25:0.50～0.65；

所述的水泥为PO 42.5级，密度为3100kg/m³；所述的砂的细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.23～0.50mm；所述的石的表观密度为2670～2800kg/m³，含水量为3.35～3.48％，吸水率为1.77～1.91％。

可选的，所述的再生粗骨料是混凝土建筑垃圾经破碎后形成的碎石料；所述的再生粗骨料的粒径为5～20mm，表观密度2400～2530kg/m³，压碎指标为17.0％～17.4％，含水率为1.33％～1.56％，吸水率为3.83％～4.70％。

本发明的优点为：

本发明采用再生粗骨料载体，解决了以往采用其他载体时，载体力学强度低、微生物活性保持度差、操作不便的问题，同样起到建筑垃圾资源化、微生物自修复的混凝土结构性能好的效果。

下面结合具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为实施例一中不同添加量的自修复混凝土裂缝形态对比图。

图2为实施例二中25％载体掺量的自修复混凝土与未添加载体的混凝土修复裂缝宽度对比图；

图3为实施例二中25％载体掺量的自修复混凝土与未添加再生粗骨料的混凝土的裂缝修复效果对比图(放大倍数为150倍)；其中图a和图b分别为25％载体掺量的自修复混凝土产生裂缝和14天后修复裂缝的对比图；图c和图d分别为未添加载体的混凝土产生裂缝和14天后修复裂缝的对比图；

图4为实施例一中体积掺量为25％的自修复再生粗骨料在10000倍下电子显微镜修复产物示意图。

具体实施方式

粗骨料在建筑学领域就是石料，因为石料和砂都叫做集料，石料是粗集料，因为其作用是在混凝土起到骨架作用，像人体的骨骼，所以又叫粗骨料，而砂子则是填充石料的缝隙，没有骨架作用。再生粗骨料就是从混凝土建筑垃圾破碎而得到的石料。再生骨料和天然石料是没得比的，强度达不到，再生骨料的应用面也有限。目前还是多应用在墙体内，一些城市小区的辅助小公路上也可以用，在高级公路上是不会用的，而在楼房框架结构内是断然不能用的。再生骨料应用到c30或者以下的混凝土等级较多。

本发明选用的再生粗骨料，取自混凝土建筑垃圾，是天然骨料与水泥基水化凝结后形成的产物经破碎后形成的石料。其材料特征为粒径为5～20mm的碎石，表观密度2400～2530kg/m³，压碎指标为17.0％～17.4％，含水率为1.33％～1.56％，吸水率为3.83％～4.70％。其表观和天然粗骨料相比，其表面特征有很大差异：再生粗骨料表面包裹着一定量的砂浆和水泥素浆(水泥石)，其黏附的多少和程度取决于骨料破碎的工艺、设备和原生混凝土的强度等级。破碎出来的再生粗骨料颗粒表面凸凹不平，非常粗糙、多孔隙、多棱角。与天然粗骨料相比，再生粗骨料中的成分也比较复杂，除原生的天然骨料外，还含有少量的砖骨料、砂浆骨料、水泥石骨料，其中，再生粗骨料在经历垃圾分级分拣后处于被老旧砂浆包裹呈现出疏松多孔的状态。因此再生骨料的附着砂浆的固有多孔性质使其有作为具有再生粗骨料载体的微生物自修复混凝土载体的可行性，同时其较高的强度能使自修复混凝土的各项性能得到提高。为使本领域技术人员更好地理解本发明的产品及方法，下面以实施例说明制备过程。同时与对比例比较，以说明本发明的优点。

本发明将传统或行业中常见的混凝土配料与自修复再生粗骨料混合进行自修复混凝土的制备，传统或行业中常见的混凝土配料一般为水、水泥、砂和石子，通常情况下C30混凝土的配料比为水，水泥，砂，石子比0.38:1:1.11:2.72，可以根据不同的混凝土型号具体的进行选择。

本发明中提到的以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30％。水灰比为影响混凝土性能的主要因素，以水泥用量为准能够准确的较好的减小混凝土性能的制备误差；菌液体积掺量为30％基于大量实验数据分析得出其为兼顾经济性和修复效能的最佳体积比。

巴氏芽孢杆菌(拉丁学名Bacillus pasteurii)，购自陕西省微生物研究所的巴氏芽孢杆菌菌液。

如未特别说明，本发明采用的设备均为本领域常规设备。

如未特别说明，本发明采用的材料均为市售。

实施例一：

本实施例的添加自修复再生粗骨料的自修复混凝土，包括混凝土配料和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15％、25％、35％和45％；按质量比计，混凝土的砂、石、水泥和水的配合比为3.10:1.75:1.00:0.50，自修复再生粗骨料为载有巴氏芽孢杆菌的再生粗骨料。

添加自修复再生粗骨料的自修复混凝土的制作方法，包括步骤：

步骤1、再生粗骨料取自常规建造民用及商用建筑拆除后的混凝土建筑垃圾，经破碎后再生粗骨料的粒径为5～10mm碎石，表观密度2458kg/m³，压碎指标为17.0％，含水率为1.33％，吸水率为3.83％；

步骤2、自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成；巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1.2，以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30％；

步骤3、取购自陕西省微生物研究所的巴氏芽孢杆菌菌液低温-4～0℃放置12小时后，先取再生骨料置于负压真空泵，再加入菌液振捣摇匀使之较均匀分布在再生骨料表面，在真空负压为0.6Mpa条件下吸附30～40min得到自修复再生粗骨料，转移自修复再生粗骨料于烘箱内恒温40℃烘干24小时；

步骤4、按质量比计，混凝土按照砂、石、水泥和水的配合比为3.10:1.75:1.00:0.50进行配料，水泥为PO 42.5级，密度为3100kg/m³；砂的细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.23～0.50mm；石的表观密度为2670～2800kg/m³，含水量为3.35～3.48％，吸水率为1.77～1.91％。；在拌和的过程中分别加入(按自修复混凝土体积百分比计)15％、25％、35％和45％自修复再生粗骨料得到自修复混凝土；将自修复混凝土浇筑至混凝土构件(100*100*400mm)上，并养护成型。

其中，制备方法为手工搅拌制备自修复混凝土，且在试件成型后静置48h脱模后85±5％RH和22±2℃条件下养护7d后预置裂缝；试件经电液伺服压力试验机采用三点法加载预置裂缝，具体方法为调试压力机以0.05mm/min的速率加载，当试件的受拉侧面最下端出现0.1～0.3mm裂缝即停止加载并于持荷90s后卸载；试件洒水养护并通过150X裂缝观测仪和电子扫描显微镜测定裂缝延伸形态及修复性能。

结果如表1所示，体积掺量为25％的自修复再生粗骨料具有最好的自修复效能表现，其修复总量分别为体积掺量15％、35％和45％的1.77倍、1.43倍和1.86倍；其中SHC-X中SHC表示自修复混凝土，X为再生粗骨料体积掺量比。

表1不同掺量自修复混凝土修复效能

如图1所示，不同载体占比自修复混凝土裂缝开裂对比。不同体积掺量的试件开裂形式不同。

如图4所示，体积掺量为25％再生粗骨料的自修复混凝土在电子显微镜一万倍放大下可以清晰地观测到修复物质CaCO₃呈现不规则大颗粒状晶体，并依附于砂浆和骨料填充混凝土孔隙，这表明其能够很好地提升混凝土内部致密性及修复开裂裂缝。

对比例一：

本对比例的混凝土跟实施例一的区别是去掉再生粗骨料，采用直接添加菌液方式浇筑混凝土,即将菌液直接加入到混凝土配料中进行混凝土的制备。

无载体掺菌组的平均修复率在前7天约为0.003mm/D；第7至14天的平均修复率约为0.010mm/D，修复率增加233.33％。其他同组的平均修复率在前7天约为0.002mm/D；在第7-14天，平均修复率约为0.004mm/D，修复率增加了100％。总体修复修复率高50％，并且在过去7天中高150％。

如图2所示，再生骨料掺菌1、2及3的平均修复率在前7天约为0.015mm/D；第7至14天的平均修复率约为0.023mm/D，修复率提高了53.33％。其它同组的平均修复率在前7天约为0.004mm/D；在第7-14天，平均修复率约为0.011mm/D，修复率增加了175％。总体修复率高275％，并且在过去7天中高出109％。

如图3所示，其中图a和图b为25％载体掺量的自修复混凝土产生裂缝和14天后修复裂缝的对比图；图c和图d为未添加载体的混凝土产生裂缝和14天后修复裂缝的对比图；经过试验比较得知，上述对比例一中的混凝土构件在同一时间内裂缝的闭合程度要略小于实施例一中的混凝土构件，且最终测定对比例一的力学强度和抗渗性能结果也是小于实施例一。可见实施例一中的自修复混凝土能通过再生粗骨料具有再生粗骨料载体的自修复效能，并通过自身较高的力学性能，达到更佳的修复效果，具有极高的实用性和经济性。

对比例二：

本对比例为使用好氧嗜碱微生物的裂缝自修复混凝土及其制备方法，申请号为CN201610385109.0的专利中的实施例一与自修复混凝土进行对比。

与实施例一的最优结果(25％的体积掺量)进行对比：

表2不同时间的裂缝修复进程

如表2所示，对比无载体、膨胀珍珠岩载体与再生骨料载体于不同时间对裂缝修复进程的影响，通过150x裂缝观测仪采集观测取点处裂缝剩余宽度表征修复效果；其中试件在7天时大部分都出现不同程度的修复现象。相较于其他组，再生骨料载体表现出微生物激发时间早、修复表征总量高的特点，部分试件在14天时出现标记点完全愈合的良好表现。膨胀珍珠岩载体在7天时表现出较好的修复表现，裂缝有了一定程度的修复并且在养护28天时裂缝完全弥合；个别试件在14天时出现标记点完全愈合的情况，其修复总量略差于再生骨料但优于无载体的修复总量。无载体在7天时几乎没有修复表现，并且随着时间的延长一直保持低效的修复进程；其修复总量在28天时约占再生骨料载体的34.7％、膨胀珍珠岩的38.4％。

在本实施例中，上列实施例，对本发明的目的、技术方案和有点进行了进一步地详细说明，所应说明的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围内。

以上结合附图详细描述了本公开的优选实施方式，但是，本公开并不限于上述实施方式中的具体细节，在本公开的技术构思范围内，可以对本公开的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本公开的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本公开对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发公开的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本公开的思想，其同样应当视为本公开所发明的内容。

Claims

1.一种以再生粗骨料为载体的自修复混凝土，其特征在于，所述的自修复混凝土包括混凝土配料和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15%～45%；

所述的自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成；具体步骤为：所述的再生粗骨料于真空负压0.6Mpa条件下浸渍吸附巴氏芽孢杆菌菌液30～40min，恒温烘干得到自修复再生粗骨料；巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1～1.2，以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30%；

所述的再生粗骨料是混凝土建筑垃圾经破碎后形成的碎石料；所述的再生粗骨料的粒径为5～20mm，表观密度2400～2530kg/m³，压碎指标为17.0%～17.4%，含水率为1.33%～1.56%，吸水率为3.83%～4.70%。

2.根据权利要求1所述的添加再生粗骨料的自修复混凝土，其特征在于，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的25%～35%。

3.根据权利要求1或2所述的添加再生粗骨料的自修复混凝土，其特征在于，按质量比计，所述的混凝土配料为砂：石：水泥：水=3.10～3.30:1.55～1.80:1.00～1.25:0.50～0.65。

4.根据权利要求3所述的添加再生粗骨料的自修复混凝土，其特征在于，所述的水泥为P·O 42.5级，密度为3100kg/m³；所述的砂细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.23～0.50mm；所述的石表观密度为2670～2800kg/m³，含水量为3.35～3.48%，吸水率为1.77～1.91%。

5.一种添加再生粗骨料的自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述的自修复混凝土包括混凝土和自修复再生粗骨料，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的15%～45%；巴氏芽孢杆菌菌液的OD值为1～1.2，以混凝土中的水泥为计算基准，巴氏芽孢杆菌菌液的体积掺量为30%；

所述的自修复再生粗骨料由再生粗骨料浸渍巴氏芽孢杆菌菌液制成，具体步骤为：所述的再生粗骨料于真空负压0.6Mpa条件下浸渍吸附巴氏芽孢杆菌菌液30～40min，恒温烘干得到自修复再生粗骨料；

所述的再生粗骨料是混凝土建筑垃圾经破碎后形成的碎石料；所述的再生粗骨料的粒径为5～20mm，表观密度2400～2530kg/m³，压碎指标为17.0%～17.4%，含水率为1.33%～1.56%，吸水率为3.83%～4.70%；

6.根据权利要求5所述的添加再生粗骨料的自修复混凝土的制备方法，其特征在于，按体积百分比计，自修复再生粗骨料占自修复混凝土的25%～35%。

7.根据权利要求5或6所述的添加再生粗骨料的自修复混凝土的制备方法，其特征在于，按质量比计，所述的混凝土配料为砂：石：水泥：水=3.10～3.30:1.55～1.80:1.00～1.25:0.50～0.65；

所述的水泥为P·O 42.5级，密度为3100kg/m³；所述的砂的细度模数为3.0～2.3，平均粒径为0.23～0.50mm；所述的石的表观密度为2670～2800kg/m³，含水量为3.35～3.48%，吸水率为1.77～1.91%。