CN111362722A - 一种调控水泥基材料梯度矿化的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种调控水泥基材料梯度矿化的方法，包括先调节水泥基材料的水灰比0.4‑0.6，向该水泥基材料中加入占水泥基材料质量0.3‑0.5％的复合细菌，在二氧化碳浓度为60.51‑80.68mol/L条件下养护7‑9天。本发明通过改进微生物添加量、水灰比以及养护时二氧化碳浓度等，在参数间的协同配合下，通过微生物的矿化作用使得水泥基材料表层形成梯度结构，并使得水泥基材料的矿化深度达到最大10mm，显著抑制了泛碱的现象；同时，该方法具有环保、工序简单等特点，无需后期表面涂刷表层等过程，且还可有效捕获利用二氧化碳，减缓温室效应。

Description

一种调控水泥基材料梯度矿化的方法
技术领域
本发明涉及一种调控基材性能的方法，尤其涉及一种调控水泥基材料梯度矿化的方法。
背景技术
随着混凝土技术的快速发展，除了强度及耐久性等性能的研究，混凝土表面美观性能也己成为关注的热点。因其成本低、耐久性好、与各种基材匹配性好，特别适用于建筑物墙体装饰，在欧美等地区已得到广泛应用。但是由水泥基材料制备的装饰产品有个很大的问题，就是水泥基材料产品表面易出现泛碱现象。泛碱现象俗称为析白或起霜，是建筑物的表层经常发生的现象，其中包括砂浆表层，混凝土表层，粘土砖表层和瓷砖表层等。泛碱一般呈白色粉末、絮团或絮片状。在许多建筑物墙面，尤其是雨篷和墙连接处、屋面排水口处及许多抹灰砂浆表层处会出现这种现象。它对于建筑物犹如皮肤病对于人体一样有损外表的美观，严重影响建筑工程感观及质量评定等级,有时还会影响其着色效果及基层与表层装修、贴面、粉刷层的粘结质量，甚至还会造成工程质量事故，延长交工时间。这极大地限制了水泥基材料在建筑装饰行业的推广应用。
自20世纪以来，受到生物成岩现象的启发，微生物矿化技术(MICP)得到 了快速发展。目前微生物矿化技术已被广泛应用于地质工程和土木工程领域，如 重金属处理、岩土性能改良、历史文物建筑加固保护等。申请号为201410610689.X， 名称为“一种用于增强水泥基材料抗泛碱性能的方法”的发明公开了将胶质芽孢 杆菌芽孢加入水泥基材料中，但该方法主要针对的是表面泛碱的表征及抑制手段， 并未涉及表层梯度结构；此外，使用单一菌种胶质芽孢杆菌时矿化深度只有 8-9mm，而使用复合菌后的矿化深度最大可达10-11mm。使用复合菌能增加试件 对CO2的吸收，使得构件表面梯度层更厚，更好的抑制泛碱。
因此，现亟需一种能够从根本上控制水泥基材料表面泛碱的方法。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种能够增大水泥基材料矿化深度，形成梯度结构，进而从本质上控制水泥基材料表面泛碱，显著提高泛碱效果的调控水泥基材料的梯度矿化的方法。
技术方案：本发明提供一种调控水泥基材料梯度矿化的方法，包括如下步骤：向水泥基材料中加入复合菌悬浮液，并在二氧化碳存在条件下养护；其中，所述复合菌液悬浮液由胶质芽孢杆菌粉与光合细菌粉按拌合至水中制备。
优选地，所述水泥基材料的水灰质量比为(0.4-0.6)：1。
进一步地，所述复合菌悬浮液占水泥基材料质量0.3-0.5％。
优选地，所述复合菌液悬浮液由如下步骤制得：将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉按质量比为0.5-2.5:1溶于去离子水中，并震荡，培养制得浓度为 109-1010CFU/ml的复合菌液悬浮液。
进一步地，所述胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉的含量为每500ml去离子水中总菌粉质量为4-8g。
优选地，所述培养是在pH为9-11、温度20-30℃条件下培养20-30h。
优选地，所述培养后还包括将复合菌悬浮液以转速4000～7000r/min离心 8-15min，取上清液。
优选地，所述在二氧化碳存在条件下养护，为二氧化碳浓度60.51-80.68 mol/L条件下养护7-9天；养护的温度为18-22℃。
优选地，所述胶质芽孢杆菌为胶质芽孢杆菌，在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC No:M 2012406；光合细菌为光合细菌photosynthetic bacterium,在中国典型培养物保藏中心的保藏编号为CCTCC No：M 2012224，保藏地址为中国武汉大学，保藏日期为2012年6月12日。
优选地，所述水泥基材料为硅酸盐水泥，其中元素以氧化物的形式表示，元素质量含量比例为Al2O3:MgO：3.6-4.3；SiO2:MgO:10.0-12.0；SO3:MgO：2.0-2.5； CaO:MgO：25.0-26.5；K2O:MgO：0.3-0.6；Na2O:MgO：0-0.1；Fe2O3:MgO：1.5-2.0。
有益效果：与现有技术相比，本发明的显著优点为：
本发明通过改进微生物添加量、水灰比以及养护时二氧化碳浓度等，通过参数间的协同配合下，通过复合微生物的矿化作用使得水泥基材料表层形成梯度结构，并使得水泥基材料的矿化深度达到最大10mm左右，从本质上显著抑制了泛碱的现象。这两种菌对水泥基材料产生矿化作用，都是由于两类细菌产生了孢酶，在酶的作用下，细菌对外部CO2产生了吸附与转化作用，细菌对CO2的吸收效果。两类细菌产生的孢酶都是以金属离子为中心的金属酶，此类酶的表面对金属离子Pb、Cd、Zn、Cr、Ni及Cu都有很强的亲合性，金属离子能够被细菌吸附固着，形成矿物沉淀。同时，该方法具有环保、工序简单等特点，无需后期表面涂刷表层等过程，且还可有效捕获利用二氧化碳，减缓温室效应。
附图说明
图1为不同的复合菌悬浮液添加量对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图；
图2为不同的水灰比对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图；
图3为不同的二氧化碳浓度对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处 CaCO3的调控图；
图4为胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌菌粉按照不同比例复合时溶液中 Ca2+浓度随时间的变化图；
图5为胶质芽孢杆菌芽孢添加量对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图。
图6为空白对照、胶质芽孢杆菌芽孢C、光合菌粉G和胶质芽孢杆菌与光合菌粉(C+G)分别存在的情况下的pH随时间变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明。
本发明需强调的是采用的微生物胶质芽孢杆菌芽孢直接购自中国工业微生物菌种保藏中心，所用光合细菌购自河南南华千牧生物科技有限公司。
本发明采用的水泥基材料按元素分析如表1所示。
实施例1
本发明调控水泥基材料的梯度矿化的方法，包括如下步骤：
(1)按比例1.5:1将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合菌粉放入去离子水中配制成浓度为6.4×109CFU/ml的悬浮液，调节pH为10，并在微生物振荡培养箱中充分摇匀，温度保持25℃，时间为24h，制备复合菌悬浮液，然后在离心机中以6000r/min离心10min，取上清液备用；
(2)水泥试件成型时，水灰比为0.50，微生物添加量占水泥基材料质量的0，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％；
(3)将成型后的试件置于温度20(±2)℃，二氧化碳浓度0.012mol/L 的环境下进行养护7-9天后，对试件表层不同厚度处进行Ca(OH)2、CaCO3含量以及压痕硬度测试分析，获得图1的微生物添加量对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图。通过该图可知，随着掺量的增加，表层不同深度处的CaCO3含量先增加后降低，且在菌掺量为0.4％时，表面每层中的CaCO3的含量达到最高。
实施例2
本发明调控水泥基材料的梯度矿化的方法，包括如下步骤：
(1)按比例1.5:1将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合菌粉放入去离子水中配制成浓度为6.4×109CFU/ml的悬浮液，调节pH为10，并在微生物振荡培养箱中充分摇匀，温度保持25℃，时间为24h，制备复合菌悬浮液，然后在离心机中以6000r/min离心10min，取上清液备用；
(2)水泥试件成型时，水灰比分别为0.25，0.30，0.35，0.40，0.45，0.50，微生物添加量占水泥基材料质量的0.4％；
(3)将成型后的试件置于温度(20±2)℃，二氧化碳浓度0.012mol/L 的环境下进行养护7天后，对试件表层不同厚度处进行Ca(OH)2、CaCO3含量以及压痕硬度测试分析，获得如图2所示的不同水灰比对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图。通过该图可知，随着水灰比的增加，表层不同深度处CaCO3的含量逐渐增加。
实施例3
本发明调控水泥基材料的梯度矿化的方法，包括如下步骤：
(1)按1.5:1将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合菌粉放入去离子水中配制成浓度为6.4×109CFU/ml的悬浮液，调节pH为10，并在微生物振荡培养箱中充分摇匀，温度保持25℃，时间为24小时，制备复合菌悬浮液，然后在离心机中以6000r/min离心10min，取上清液备用；
(2)水泥试件成型时，水灰比为0.50，微生物添加量占水泥基材料质量的0.4％；
(3)将成型后的试件置于温度(20±2)℃，二氧化碳浓度分别为0.012 mol/L，20.17mol/L，30.26mol/L，40.34mol/L，60.51mol/L，80.68mol/L的环境下进行养护7天后，对试件表层不同厚度处进行Ca(OH)2、CaCO3含量测试分析，获得如图3所示的不同二氧化碳浓度对微生物矿化水泥胶凝材料表层不同深度处CaCO3的调控图。通过该图可知，随着外界CO2浓度的增加，表层不同深度处CaCO3含量逐渐增加，且浓度在80.68mol/L时，矿化深度达到10mm左右。
实施例4
本发明调控水泥基材料的梯度矿化的方法，包括如下步骤：
(1)分别按0.5:1、1:1、1.5:1、2:1、2.5:1将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合菌粉放入去离子水中配制成浓度为109-1010CFU/ml的悬浮，调节pH为 10，并在微生物振荡培养箱中充分摇匀，温度保持25℃，时间为24h，制备复合菌悬浮液，然后在离心机中以6000r/min离心10min，取上清液备用；
(2)将不同比例的复合菌加入Ca(NO3)2溶液后，每隔一天利用钙离子滴定分析仪测定溶液中钙离子浓度，并记录数据。结果如图4。通过该图可知，每组Ca(NO3)2溶液在加入复合细菌后，钙离子浓度急剧下降。随着时间的延长，在第4天时，各组别钙离子浓度趋于稳定。当胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉的质量比例为0.5:1时，溶液中钙离子浓度最大。当胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉比例为1.5:1时，复合微生物细菌的活性最强，钙离子浓度最小。因此，本申请确定的复合细菌中胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉的质量比范围为0.5-2.5:1，最优选的质量比为1.5:1。
对比例1
基本步骤与实施例1相同，不同之处在于采用单一的胶质芽孢杆菌进行调节，具体包括如下步骤：
(1)将胶质芽孢杆菌芽孢放入去离子水中配制成浓度为3.2×109CFU/ml 的悬浮液，调节pH为10，并在微生物振荡培养箱中充分摇匀，温度保持25℃，时间为24小时，制备复合菌悬浮液，然后在离心机中以6000r/min离心10min，取上清液备用；
(2)水泥试件成型时，水灰比为0.50，微生物添加量占水泥基材料质量的0，0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％；
(3)将成型后的试件置于温度(20±2)℃，二氧化碳浓度0.012mol/L的环境下进行养护7天后，对试件表层不同厚度处进行CaCO3含量测试分析如图5 所示。由图5可知，随着胶质芽孢杆菌芽孢添加量的增大，水泥基材料不同深度中的Ca(OH)2和CaCO3含量呈现完全相反的变化趋势。当胶质芽孢杆菌芽孢添加量由0增加到0.5％时，6组试件同一深度中的CaCO3含量先增大后减小，当胶质芽孢杆菌芽孢添加量达到水泥基材料质量的0.4％时，试件内部CaCO3的含量最高。与复合菌相比，其碳酸钙含量明显较.此外，该单菌的浓度(3.2×109 CFU/ml)明显低于复合菌组的浓度(6.4×109CFU/ml)。

Claims (10)

1.一种调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于，包括如下步骤：向水泥基材料中加入复合菌悬浮液，并在二氧化碳存在条件下养护；其中，所述复合菌液悬浮液由胶质芽孢杆菌粉与光合细菌粉按拌合至水中制备。
2.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述水泥基材料的水灰质量比为(0.4-0.6)：1。
3.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述复合菌悬浮液占水泥基材料质量0.3-0.5％。
4.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述复合菌液悬浮液由如下步骤制得：将粉状的胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉按质量比为0.5-2.5:1溶于去离子水中，并震荡，培养制得浓度为109-1010CFU/ml的复合菌液悬浮液。
5.根据权利要求4所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述胶质芽孢杆菌芽孢与光合细菌粉的含量为每500ml去离子水中总菌粉质量为4-8g。
6.根据权利要求4所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述培养是在pH为9-11、温度20-30℃条件下培养20-30h。
7.根据权利要求4所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述培养后还包括将复合菌悬浮液以转速4000～7000r/min离心8-15min，取上清液。
8.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述胶质芽孢杆菌为胶质芽孢杆菌CCTCC No:M 2012406；光合细菌为光合细菌CCTCC No：M 2012224。
9.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述在二氧化碳存在条件下养护，为二氧化碳浓度60.51-80.68mol/L条件下养护7-9天；养护的温度为18-22℃。
10.根据权利要求1所述的调控水泥基材料梯度矿化的方法，其特征在于：所述水泥基材料为硅酸盐水泥，其中元素以氧化物的形式表示，元素质量含量比例为Al2O3:MgO：3.6-4.3；SiO2:MgO:10.0-12.0；SO3:MgO：2.0-2.5；CaO:MgO：25.0-26.5；K2O:MgO：0.3-0.6；Na2O:MgO：0-0.1；Fe2O3:MgO：1.5-2.0。
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