CN110436816A - 一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂及其制备和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明属于裂缝自修复剂技术领域，提供了一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂及其制备和应用。本发明的自修复剂包括孢子干粉、营养物质和辅助材料，营养物质包括尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨和氯化钠；辅助材料包括微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和环氧树脂E‑51，尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨、氯化钠、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和孢子干粉组成芯材颗粒，环氧树脂E‑51将芯材颗粒包裹于环氧树脂E‑51内，形成微生物胶囊。当机场道面在使用过程中出现混凝土层的微细裂缝时，压力作用迫使微生物胶囊壁材破裂，空气和水分的进入会激活胶囊中的微生物芽孢萌发，利用微生物自身的新陈代谢诱导生成碳酸钙沉淀，能够对微细裂缝进行自修复。

Description

一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂及其制备和应用
技术领域
本发明涉及裂缝自修复剂技术领域，具体涉及一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂及其制备和应用。
背景技术
民用航空事业的发展对机场跑道数量和安全性能的需求越来越高，机场道面混凝土层内产生的微细裂缝的修复效率亟待提高。跑道基层-混凝土层出现的微细裂缝扩展，是导致道面承载性能下降的主要原因，严重影响航行过程中的起飞、降落安全性。采用智能自修复材料是实现道面微细裂缝自动修补、预防基层裂缝扩展破坏的有效手段。
已有的机场道面修复研究主要通过化学灌浆方法，注入道面基层的修补材料包括无机型、聚合物复合型和有机型等，可实现对已知裂缝的深入修复。目前常用的修补材料在力学性能、粘结强度和稳定性方面表现良好。但是传统的修补材料只能实现被动修复，在基层微细裂缝刚刚产生时无法进行动态识别和修补，只有当内部裂缝发展到一定规模、反射到表层之后才开始修补，势必会造成修复效率较低，修补难度加大，影响修复效果，而且过多注入化学材料造成资源浪费，也不利于机场生态环境的平衡稳定。
发明内容
为了解决上述传统修复剂存在的被动修复缺陷，本发明提出了一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂。该自修复剂通过掺入混凝土砂浆中作为道面基层注浆材料，能够实现主动自修复，预防内部裂缝的扩展性破坏。另外，本发明提出了一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂的制备方法和应用。
本发明采用以下的技术方案：
一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂，包括孢子干粉、营养物质和辅助材料，所述营养物质包括尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨和氯化钠；所述辅助材料包括微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和环氧树脂E-51，所述尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨、氯化钠、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和孢子干粉组成芯材颗粒，所述环氧树脂E-51将芯材颗粒包裹于环氧树脂E-51内，形成微生物胶囊。
上述技术方案中，微晶纤维素用于扩大芯材体积，羟丙基甲基纤维素用于促进微晶纤维素与孢子干粉及营养物质的粘合。
进一步地，所述尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨、氯化钠、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素、孢子干粉的质量比为4-8:1-1.5:3-4.5:1-1.5：5-50：1.5-2：3-30。
进一步地，所述孢子干粉为产脲酶细菌。
进一步地，所述孢子干粉为巴氏芽孢杆菌。
一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的制备方法，包括以下步骤：
a混合：取尿素4-8份、大豆蛋白胨1-1.5份、酪蛋白胨3-4.5份、氯化钠1-1.5份、微晶纤维素5-50份和羟丙基甲基纤维素1.5-2份，充分混合；
b成团：称取孢子干粉3-30份于烧杯中，加入300份蒸馏水搅拌均匀，得液体溶液；然后将液体溶液加入到步骤a所得混合物中，搅拌均匀使其成糊状物；
c造粒：将得到的糊状物放入中药制丸机的挤压口处，挤压得到扁状体；取扁状体放入搓条口处挤出得到条状物；将条状物分单根放入制丸口处滚出得到颗粒；将颗粒物放入滚圆桶中进行滚圆后取出置于40°-50°的低温干燥箱中干燥24h，得到粒径单一的芯材颗粒；
d油相分离法制备微胶囊：用环氧树脂E-51对制备出的芯材微粒进行包覆，在双油相的条件下使环氧树脂E-51在芯材表面固化成膜，形成微生物胶囊；
e固化成膜：将步骤d所得微生物胶囊缓缓加入三口烧瓶中，设定反应温度为50℃，设定搅拌速度为300rmp，搅拌5min后，打开一侧瓶塞，缓缓倒入50-100份聚二甲基硅氧烷，继续搅拌1h；
f固化完全后，将最终所得产物取出，用无水乙醇过滤，洗净表面的聚二甲基硅氧烷，然后将产物平铺于培养皿中，转移到40℃的低温干燥箱中烘干，即制得基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂。
上述技术方案中，微生物胶囊对内部的细菌孢子芯材形成保护作用，由于微生物胶囊壁材具备力学触发性能，在机场道面基层产生微细裂缝时囊壁会自动受压破裂，释放出内部的微生物芽孢芯材，伴随裂缝产生而进入的空气和水分促使芽孢萌发并恢复矿化活性，微生物不断诱导生成的碳酸钙沉淀对微细裂缝进行主动填充，实现道面基层微细裂缝的智能自修复。
进一步地，步骤d中，油相分离法制备微胶囊的具体步骤为：
按照芯壁比为1:3称取环氧树脂E-51与芯材微粒，将两者放于烧杯中搅拌使其混合均匀，将混合物置于50℃恒温水浴锅中，保温10min；
预固化：保温10min后，在混合物中加入1.5份DMP-30并搅拌均匀，再次置于50℃水浴锅中进行预固化，预固化时间为30min。
一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的应用，将基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂按一定配比加入混凝土砂浆中，搅拌均匀，对机场道面的混凝土层进行注浆应用。
进一步地，混凝土砂浆中的水泥砂浆按照0.3的水灰比成型；基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的掺量为胶凝材料用量的3-4％。
进一步的，按所需用量称量好所需材料，依次加入水泥、砂、水，搅拌均匀，最后加入基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂。
在机场道面深入裂缝修复时采用注浆法，水泥砂浆按照0.3的水灰比成型，微生物胶囊掺量为胶凝材料用量的3-4％。当机场道面在使用过程中出现混凝土层的微细裂缝时，压力作用迫使微生物胶囊壁材破裂，空气和水分的进入会激活胶囊中的微生物芽孢萌发，利用微生物自身的新陈代谢诱导生成碳酸钙沉淀，对微细裂缝进行自修复。
本发明具有的有益效果是：
本发明通过制备以巴氏芽孢杆菌为芯材、以环氧树脂为壁材的微生物胶囊，掺入胶凝材料中得到智能自修复剂，该修复剂通过掺入混凝土砂浆中作为道面基层注浆材料，可以在不影响结构加固性能的前提下实现主动自修复，预防内部裂缝的扩展性破坏，避免了传统修复所需要投入的大量人力物力，使得机场道面的修复效率得到了大大提高。
该修复剂符合机场长期高负荷运行对生态平衡和环境友好的需求，充分利用微生物的自然矿化作用实现自修复，避免引入大量化学灌浆材料，对机场道面病害治理选择高效自修复剂具有重要指导意义。
根据本发明的制备方法制备的修复剂与机场道面混凝土层具有最佳断裂匹配性，碳酸钙产率高、矿化能力强，能够自动捕捉基层微细裂缝的产生点，有效解决传统修复剂对道面基层隐藏的微细裂缝无法及时进行定位识别和主动修补的难题，变被动修复为主动修复。
与现有技术中的道面修复剂相比，本发明制备得到的智能自修复剂具有自动定位、主动修复的效果，制备方法简单、成本低等有益效果，有利于维护机场生态平衡。
具体实施方式
为了使本发明的优点、技术方案更加清楚、明确，下面结合具体实施例对本发明做详细说明：
实施例1：
以巴氏芽孢杆菌为例，对本发明基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂制备方法进行举例说明:
a将巴氏芽孢杆菌的孢子干粉、辅助材料以及营养物质混合，经造粒设备进行造粒，混合阶段：根据优化后菌种的培养基成分比例称取营养物质，即称取尿素1g、大豆蛋白胨0.25g、酪蛋白胨0.75g、氯化钠0.25g，同时加入微晶纤维素5g用于扩大芯材体积，加入羟丙基甲基纤维素1.5g用于促进微晶纤维素与孢子及营养物质的粘合。
b成团阶段：称取0.5g孢子干粉于烧杯中，加入150g蒸馏水搅拌均匀，然后将液体溶液加入到混合物中，搅拌均匀使其成糊状物；
c造粒阶段：将得到的糊状物缓缓放入中药制丸机的挤压口处，经适当挤压得到扁状体，取扁状体放入搓条口处挤出得到条状物，将条状物分单根放入制丸口处滚出得到颗粒，将颗粒物放入滚圆桶中进行滚圆后取出置于40°的低温干燥箱中干燥24h，即得到粒径单一的芯材颗粒；
d选用油相分离法，用环氧树脂E-51对制备出的芯材微粒进行包覆，在双油相的条件下使环氧树脂E-51在芯材表面固化成膜，形成微生物胶囊；按照芯壁比为1:3称取环氧树脂E-51与芯材微粒，将两者放于烧杯中搅拌使其混合均匀，将混合物置于50℃恒温水浴锅中，保温10min。
预固化阶段：保温10min后，在混合物中加入1.5gDMP-30并搅拌均匀，再次置于50℃水浴锅中进行预固化，预固化时间为30min。
e固化成膜阶段：将混合物缓缓加入三口烧瓶中，设定反应温度为50℃，设定搅拌速度为300rmp，搅拌5min后，打开一侧瓶塞，缓缓倒入50g聚二甲基硅油，继续搅拌1h。
f固化完全后，将最终所得产物取出，用无水乙醇过滤，洗净表面的聚二甲基硅氧烷。然后将产物平铺于培养皿中，转移到40℃的低温干燥箱中烘干，即制得微生物胶囊。
g按微胶囊掺量为胶凝材料用量的3％，制备混凝土砂浆，加入微生物胶囊，搅拌均匀，对机场道面的混凝土层进行注浆应用。
实施例2：
与实施例1不同之处在于，步骤e中，在固化成膜阶段加入100g聚二甲基硅油。
实施例3：
与实施例1不同之处在于，步骤g中，微胶囊掺量为胶凝材料用量的4％。
实施例4：
a取尿素4份、大豆蛋白胨1份、酪蛋白胨3份、氯化钠1份、微晶纤维素5份和羟丙基甲基纤维素1.5份，充分混合；
b称取巴氏芽孢杆菌的孢子干粉3份于烧杯中，加入300份蒸馏水搅拌均匀，得液体溶液；然后将液体溶液加入到步骤a所得混合物中，搅拌均匀使其成糊状物；
c将得到的糊状物放入中药制丸机的挤压口处，挤压得到扁状体；取扁状体放入搓条口处挤出得到条状物；将条状物分单根放入制丸口处滚出得到颗粒；将颗粒物放入滚圆桶中进行滚圆后取出置于50°的低温干燥箱中干燥24h，得到粒径单一的芯材颗粒；
d选用油相分离法，用环氧树脂E-51对制备出的芯材微粒进行包覆，在双油相的条件下使环氧树脂E-51在芯材表面固化成膜，形成微生物胶囊；按照芯壁比为1:3称取环氧树脂E-51与芯材微粒，将两者放于烧杯中搅拌使其混合均匀，将混合物置于50℃恒温水浴锅中，保温10min；
预固化阶段：保温10min后，在混合物中加入1.5gDMP-30并搅拌均匀，再次置于50℃水浴锅中进行预固化，预固化时间为30min。
e固化成膜：将步骤d所得微生物胶囊缓缓加入三口烧瓶中，设定反应温度为50℃，设定搅拌速度为300rmp，搅拌5min后，打开一侧瓶塞，缓缓倒入80份聚二甲基硅氧烷，继续搅拌1h；
f固化完全后，将最终所得产物取出，用无水乙醇过滤，洗净表面的聚二甲基硅氧烷，然后将产物平铺于培养皿中，转移到40℃的低温干燥箱中烘干，即制得基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂(微生物胶囊成品)。
g制备混凝土砂浆，加入微生物胶囊。其加入顺序为：水泥、砂、水，搅拌均匀，最后加入微生物胶囊；其中微生物胶囊的掺量为水泥用量的4％。搅拌均匀，对机场道面的混凝土层进行注浆应用。
实施例5：
a取尿素8份、大豆蛋白胨1.5份、酪蛋白胨4.5份、氯化钠1.5份、微晶纤维素50份和羟丙基甲基纤维素2份，充分混合；
b称取巴氏芽孢杆菌的孢子干粉30份于烧杯中，加入300份蒸馏水搅拌均匀，得液体溶液；然后将液体溶液加入到步骤a所得混合物中，搅拌均匀使其成糊状物；
c将得到的糊状物放入中药制丸机的挤压口处，挤压得到扁状体；取扁状体放入搓条口处挤出得到条状物；将条状物分单根放入制丸口处滚出得到颗粒；将颗粒物放入滚圆桶中进行滚圆后取出置于40°的低温干燥箱中干燥24h，得到粒径单一的芯材颗粒；
d选用油相分离法，用环氧树脂E-51对制备出的芯材微粒进行包覆，在双油相的条件下使环氧树脂E-51在芯材表面固化成膜，形成微生物胶囊；按照芯壁比为1:3称取环氧树脂E-51与芯材微粒，将两者放于烧杯中搅拌使其混合均匀，将混合物置于50℃恒温水浴锅中，保温10min；
预固化阶段：保温10min后，在混合物中加入1.5gDMP-30并搅拌均匀，再次置于50℃水浴锅中进行预固化，预固化时间为30min。
e固化成膜：将步骤d所得微生物胶囊缓缓加入三口烧瓶中，设定反应温度为50℃，设定搅拌速度为300rmp，搅拌5min后，打开一侧瓶塞，缓缓倒入100份聚二甲基硅氧烷，继续搅拌1h；
f固化完全后，将最终所得产物取出，用无水乙醇过滤，洗净表面的聚二甲基硅氧烷，然后将产物平铺于培养皿中，转移到40℃的低温干燥箱中烘干，即制得基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂(微生物胶囊成品)。
g制备混凝土砂浆，加入微生物胶囊。其加入顺序为：水泥、砂、水，搅拌均匀，最后加入微生物胶囊；其中微生物胶囊的掺量为水泥用量的3％。搅拌均匀，对机场道面的混凝土层进行注浆应用。
上述未述及的部分借鉴现有技术即可实现。
通过对实施例进行性能测试发现，本修复剂对于1mm内的跑道混凝土层微裂缝在早期就可以取得良好的修复效果，抗压强度可达到2.6MPa，强度修复率可达到96％以上。添加本修复剂后水泥砂浆终凝时间在1h之内,对水泥砂浆的流动性和凝结时间影响较小。经过微生物矿化诱导生成的碳酸钙沉淀将水泥砂粒粘结的同时，还能够有效填充了混凝土层的孔隙，因此孔隙率有一定程度的降低，道面基层的吸水性降低了30％-40％。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂，其特征在于，包括孢子干粉、营养物质和辅助材料，所述营养物质包括尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨和氯化钠；所述辅助材料包括微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和环氧树脂E-51，所述尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨、氯化钠、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素和孢子干粉组成芯材颗粒，所述环氧树脂E-51将芯材颗粒包裹于环氧树脂E-51内，形成微生物胶囊。
2.根据权利要求1所述的一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂，其特征在于，所述尿素、大豆蛋白胨、酪蛋白胨、氯化钠、微晶纤维素、羟丙基甲基纤维素、孢子干粉的质量比为4-8:1-1.5:3-4.5:1-1.5：5-50：1.5-2：3-30。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂，其特征在于，所述孢子干粉为产脲酶细菌。
4.根据权利要求3所述的一种基于微生物胶囊的机场道面自修复剂，其特征在于，所述孢子干粉为巴氏芽孢杆菌。
5.一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
a混合：取尿素4-8份、大豆蛋白胨1-1.5份、酪蛋白胨3-4.5份、氯化钠1-1.5份、微晶纤维素5-50份和羟丙基甲基纤维素1.5-2份，充分混合；
b成团：称取孢子干粉3-30份于烧杯中，加入300份蒸馏水搅拌均匀，得液体溶液；然后将液体溶液加入到步骤a所得混合物中，搅拌均匀使其成糊状物；
c造粒：将得到的糊状物放入中药制丸机的挤压口处，挤压得到扁状体；取扁状体放入搓条口处挤出得到条状物；将条状物分单根放入制丸口处滚出得到颗粒；将颗粒物放入滚圆桶中进行滚圆后取出置于40°-50°的低温干燥箱中干燥24h，得到粒径单一的芯材颗粒；
d油相分离法制备微胶囊：用环氧树脂E-51对制备出的芯材微粒进行包覆，在双油相的条件下使环氧树脂E-51在芯材表面固化成膜，形成微生物胶囊；
e固化成膜：将步骤d所得微生物胶囊缓缓加入三口烧瓶中，设定反应温度为50℃，设定搅拌速度为300rmp，搅拌5min后，打开一侧瓶塞，缓缓倒入50-100份聚二甲基硅氧烷，继续搅拌1h；
f固化完全后，将最终所得产物取出，用无水乙醇过滤，洗净表面的聚二甲基硅氧烷，然后将产物平铺于培养皿中，转移到40℃的低温干燥箱中烘干，即制得基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂。
6.根据权利要求5所述的一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的制备方法，其特征在于，步骤d中，油相分离法制备微胶囊的具体步骤为：
按照芯壁比为1:3称取环氧树脂E-51与芯材微粒，将两者放于烧杯中搅拌使其混合均匀，将混合物置于50℃恒温水浴锅中，保温10min；
预固化：保温10min后，在混合物中加入1.5份DMP-30并搅拌均匀，再次置于50℃水浴锅中进行预固化，预固化时间为30min。
7.一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的应用，其特征在于，将基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂按一定配比加入混凝土砂浆中，搅拌均匀，对机场道面的混凝土层进行注浆应用。
8.根据权利要求7所述的一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的应用，其特征在于，混凝土砂浆中的水泥砂浆按照0.3的水灰比成型。
9.根据权利要求7所述的一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的应用，其特征在于，基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的掺量为胶凝材料用量的3-4％。
10.根据权利要求7所述的一种基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂的应用，其特征在于，按所需用量称量好所需材料，依次加入水泥、砂、水，搅拌均匀，最后加入基于微生物胶囊的机场道面智能自修复剂。
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