CN112047654B - 一种巴氏芽孢杆菌dsm33强化再生细骨料的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，包括以下步骤，配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液将pH调至9.0～9.5，灭菌并冷却到室温后接种巴氏芽孢杆菌，在28～32℃温度，130rpm转速下振荡培养，得到完成增殖的细菌培养液；向完成增殖的细菌培养液中加入干燥的再生细骨料，静置于28～32℃温度下培养；将浸泡后的再生细骨料取出放入沉淀培养基中，静置于28～32℃温度下培养；完成上述操作，将再生细骨料烘干，得到一次强化后的再生细骨料；对一次强化后的骨料可进行重复强化。采用本发明所述方法制备得到的再生细骨料，重量增加，吸水率显著降低。由所述强化再生细骨料制备的再生砂浆抗压、抗折强度显著提高，收缩性能、抗碳化性能显著提高。
Description
技术领域
本发明涉及建筑材料、微生物学和固体废弃物资源化利用的交叉技术领域，具体涉及一种巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法。
背景技术
我国目前正处于建筑行业蓬勃发展，城市基础设施大量兴建的过程中。作为最重要的建筑材料，商品混凝土的年均产量已经超过2.5×109m3，这意味着天然砂石资源的急速消耗，全球每年约320亿到500亿吨的砂石资源被用于工业生产。同时不容忽视的是，我国每年产生的建筑废弃物已超过30亿吨，资源化利用率不足10％，若能将其破碎处理为再生粗细骨料，推广应用于混凝土生产，既能解决砂石资源短缺与建筑废弃物处置问题，还能提高混凝土原材料的就地取用率，节省财力物力。
再生骨料因表面粘附着老砂浆，通常具有较低的表观密度，较高的吸水率与压碎指标，会对混凝土力学性能与耐久性能产生负面影响。若要用于制备高性能混凝土，在结构构件中实现高等级应用，须对再生骨料进行强化处理，提高再生骨料的使用性能。
再生骨料应用具有很好的经济效益、社会效益、环保效益以及很好的市场应用前景。现有技术中，或使用机械研磨再生骨料，使得再生骨料的质量大大提高，可用于生产钢筋混凝土构件；或采用5％浓度的冰醋酸和3％浓度的盐酸溶液对再生骨料处理；或采用水泥和微细矿物粉浆液(如粉煤灰、硅粉等、硅质防水剂或硫铝酸钙类膨胀剂)对再生骨料浸泡、干燥等处理。但由于再生骨料在破碎或处理期间产生孔隙、裂缝等，致使再生骨料吸水率较大，导致再生混凝土性能下降，制约了再生骨料生产再生混凝土领域的发展。
因此，通过微生物诱导碳酸钙沉淀来强化再生骨料表面的老砂浆作为一种绿色友好且具有实际应用潜力的新型改性工艺，逐渐走入人们的视线。但是现有的改性工艺大多针对再生粗骨料，对于再生细骨料的改性较少。同时，现有工艺往往需要配合振荡或者加入其他辅助化学物质提升效果，这大大限制了改性工艺的适用范围并提高了改性工艺的潜在成本。此外，由于现有工艺研究的不成熟，部分工艺的时长过长，改性的效率较低，不适用于实际应用。
发明内容
基于以上技术背景，本发明旨在克服现有技术的不足，本发明提供一种利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，能够有效提高再生细骨料与再生砂浆性能。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案实现：
一种利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，包括以下步骤：
(1)配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液将pH调至9.0～9.5，灭菌并冷却到室温后接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在28～32℃温度，转速130rpm下振荡培养，得到完成增殖的细菌培养液；
(2)向完成增殖的细菌培养液中加入干燥的再生细骨料，静置于28～32℃温度下培养，所述的再生细骨料的尺寸为0.075～4.75mm；
(3)将浸泡后的再生细骨料取出放入沉淀培养基中，静置于28～32℃温度下培养；
(4)完成上述操作，将再生细骨料烘干，得到一次强化后的再生细骨料；
(5)重复进行步骤(1)～(4)的过程，可对一次强化后的骨料进行重复强化。
上述技术方案中，进一步的，步骤(1)中，所述增殖培养基由15～25g/L的胰蛋白胨、15～25g/L的尿素、3～7g/L的氯化钠和去离子水组成。
进一步的，步骤(1)中，所述灭菌方法采用高压蒸汽灭菌法，即在103.4kPa蒸汽压和121.3℃下灭菌20min。
进一步的，步骤(1)中，振荡培养时间24h～36h，巴氏芽孢杆菌DSM33细胞浓度107～109cells/mL。
进一步的，步骤(2)中，再生细骨料需在40～60℃的温度下干燥48h～72h。
进一步的，步骤(2)中，再生细骨料与完成增殖的细菌培养液比例为100g：100mL～100g:200mL。
进一步的，步骤(2)中，再生细骨料与完成增殖的细菌培养液培养时间为12h～36h。
进一步的，步骤(3)中，所述沉淀培养基由2.5～3.5g/L的胰蛋白胨、4～6g/L的氯化铵、15～25g/L的尿素、1.5～2.5g/L的碳酸钠、0.3～0.7mol/L的醋酸钙和去离子水组成。
进一步的，步骤(3)中，所述沉淀培养基的pH值为9.0～10.0。
进一步的，步骤(3)中，再生细骨料与沉淀培养基比例为100g:100mL～100g:400mL。
进一步的，步骤(3)中，再生细骨料与沉淀培养基培养时间为24h～48h。
进一步的，步骤(4)中，再生细骨料需在40～60℃的温度下干燥48h～72h。
进一步的，步骤(5)中，所述重复强化的次数为2次～5次。
相较于现有技术，本发明具有下述有益效果：
本发明提供了一种利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，通过对巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的流程进行设计和优化。相较于其他菌种，巴氏芽孢杆菌DSM33具有抗逆性好、易于保存、繁殖能力强、传代稳定等特点，因此本发明采用巴氏芽孢杆菌DSM33对再生细骨料进行强化，可以减少培植、保藏细菌的成本。同时，巴氏芽孢杆菌DSM33无毒无害，在改性时无需特别准备防护设备，也可以大幅降低强化操作成本。在改性过程中，由于先将再生细骨料烘干并与细菌混合浸泡，使得细菌可以充分进入再生骨料缺陷处，再将饱和吸收细菌的再生细骨料放入沉淀培养基进行培养，充分利用培养基内的成分和细菌产生的脲酶，使得细菌诱导产生的碳酸钙CaCO3沉淀充分沉积在再生骨料缺陷和老砂浆层上，从而达到强化再生细骨料老砂浆和修补微裂缝的目的，降低了再生骨料的吸水率，提高了再生骨料的质量，在此过程中物料得到充分利用，改性效率和效果也得到提升。微生物分布的不均匀会导致难以保证充分改性骨料，为了避免这一点，本发明还设计对一次强化后的骨料进行重复强化，进一步提高了改性效率和效果。此外，本发明在沉淀过程中只需要将骨料和沉淀培养基混合物静置放置，无需振荡或添加额外的化学物质，因此也减少了不必要的能量和物料消耗，减少了对环境的影响。同时，使用强化后的再生骨料制备的砂浆，砂浆孔隙结构得到优化，进一步其抗压、抗折强度、收缩性能、抗碳化性能显著提高。
具体实施方式
下面结合实例对本发明进行进一步描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。
实施例1
本实施例包括以下步骤：
(1)称取胰蛋白胨20g、氯化钠5g、尿素20g、去离子水1000mL配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液调节pH值至9.5。经过121℃蒸压灭菌20min，接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在30℃条件下振荡培养24h，振荡频率为130rpm。
(2)再生细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取1000g加入到1L上述细菌增殖培养液中，在30℃条件下静置培养24h。
(3)称取胰蛋白胨3g、碳酸钠2.12g、氯化铵5g、尿素20g、醋酸钙0.5mol、去离子水1000mL配置沉淀培养基。将上述再生细骨料从细菌增殖培养液中取出，加入配置的沉淀培养基中，在30℃条件下静置培养24h。
(4)将再生细骨料从沉淀培养基中取出，在55℃的烘箱中烘干，得到改性后再生细骨料。
测量再生骨料在改性前后的重量变化，并根据标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》考察微生物处理前后骨料的饱和面干吸水率的变化。结果表明经过改性后再生骨料质量增加，吸水率显著降低，如表1所示。
表1.处理前后再生细骨料性能变化
由表1可以看出，相对于处理前，处理后再生细骨料每百克增重4.38g，吸水率降低18.16％。
实施例2
本实施例包括以下步骤：
(1)以胰蛋白胨20g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L为准称取并配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液调节pH值至9.5。经过121℃蒸压灭菌20min，接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在30℃条件下振荡培养24h，振荡频率为130rpm。
(2)将建筑废弃物制备成再生细骨料并水洗，筛分粒径范围为0.6mm～4.75mm，以骨料和增殖培养基比例为100g:100mL，将骨料放入细菌增殖培养液中，在30℃条件下静置培养24h。
(3)以胰蛋白胨3g/L、碳酸钠2.12g/L、氯化铵5g/L、尿素20g/L、醋酸钙0.5mol/L为准称取并配置沉淀培养基。将上述再生细骨料从细菌增殖培养液中取出，分别以骨料和沉淀培养基比例为100g:100mL、100g:150mL、100g:200mL、100g:250mL、100g:300mL、100g:350mL、100g:400mL为准，将骨料加入配置的沉淀培养基中，在30℃条件下静置培养24h。
(4)将再生细骨料从沉淀培养基中取出，在55℃的烘箱中烘干，得到改性后再生细骨料。
测量再生骨料在改性前后的重量变化，并根据标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》考察微生物处理前后骨料的饱和面干吸水率的变化。结果表明经过改性后再生骨料质量增加，吸水率显著降低，如表2所示。
表2.处理前后再生细骨料性能变化
由表2可以看出，在使用巴氏芽孢杆菌DSM33处理再生骨料时，使用不同体积沉淀培养基均可提高处理后骨料的质量，降低骨料吸水率，质量提高最高达5.32％，吸水率降低最高达44.99％。
实施例3
本实施例包括以下步骤：
(1)以胰蛋白胨20g/L、氯化钠5g/L、尿素20g/L为准称取并配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液调节pH值至9.5。经过121℃蒸压灭菌20min，接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在30℃条件下振荡培养24h，振荡频率为130rpm。
(2)将建筑废弃物制备成再生细骨料并水洗，筛分粒径范围为0.075mm～4.75mm，等分为两份备用。并以胰蛋白胨3g/L、碳酸钠2.12g/L、氯化铵5g/L、尿素20g/L、醋酸钙0.5mol/L为准称取并配置沉淀培养基，备用。
(3)第一份骨料记为一次性改性骨料，以骨料和增殖培养基比例为100g:100mL，将骨料放入细菌增殖培养液中，混匀，再将混合物以骨料和沉淀培养基比例为100g:200mL直接加入沉淀培养基，在30℃条件下静置培养48h。
(4)第二份骨料记为分步改性骨料，以骨料和增殖培养基比例为100g:100mL，将骨料放入细菌增殖培养液中，在30℃条件下静置培养24h；随后，将上述再生细骨料从细菌增殖培养液中取出，以骨料和沉淀培养基比例为100g:200mL为准，将骨料加入配置的沉淀培养基中并加入与骨料比例为100g:100mL的无菌增殖培养基，在30℃条件下静置培养24h。
(5)将两份再生细骨料从沉淀培养基中取出，在55℃的烘箱中烘干，得到改性后再生细骨料。
测量再生骨料在改性前后的重量变化，并根据标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》考察微生物处理前后骨料的饱和面干吸水率的变化。结果表明分步改性后的再生骨料质量增加、吸水率降低都优于一次性改性的再生骨料，如表3所示。
表3.不同流程处理的再生细骨料性能变化
由表3可以看出，在使用分步式处理再生骨料时，质量提高达4.98％，吸水率降低达30.88％，均远高于一次性改性骨料。
实施例4
本实施例包括以下步骤：
(1)称取胰蛋白胨20g、氯化钠5g、尿素20g、去离子水1000mL配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液调节pH值至9.5。经过121℃蒸压灭菌20min，接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在30℃条件下振荡培养24h，振荡频率为130rpm。
(2)再生细骨料过0.075mm筛并水洗，粒径范围为0.075mm～4.75mm，称取1000g加入到1L上述细菌增殖培养液中，在30℃条件下静置培养24h。
(3)称取胰蛋白胨3g、碳酸钠2.12g、氯化铵5g、尿素20g、醋酸钙0.5mol、去离子水1000mL配置沉淀培养基。将上述再生细骨料从细菌增殖培养液中取出，加入配置的沉淀培养基中，在30℃条件下静置培养24h。
(4)将再生细骨料从沉淀培养基中取出，在55℃的烘箱中烘干，得到一次改性后再生细骨料。
(5)随后，按照步骤(1)～步骤(4)重复改性骨料2次，得到重复改性再生细骨料。
每次处理后，测量再生骨料在改性前后的重量变化，并根据标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生细骨料》和GB/T14684-2011《建设用砂》考察微生物处理前后骨料的饱和面干吸水率的变化。结果表明经过改性后再生骨料质量增加，吸水率显著降低，如表4所示。
表4.重复处理后再生细骨料性能变化
由表4可以看出，在使用巴氏芽孢杆菌DSM33重复处理再生骨料时，随着重复次数的增加，骨料的质量也不断增重，处理三次后质量增加达到9.46％。而骨料吸水率也随着处理次数的增加而不断降低，处理三次后吸水率降低达到45.81％。
实施例5
用实施例4中未处理的骨料和处理后的骨料作为再生骨料制备再生砂浆，配比见表5，考察再生骨料经过微生物处理后对砂浆性能的影响，结果见表6和表7。
表5.再生砂浆配合比
表6.再生砂浆力学性能
由表6可以看出，在使用巴氏芽孢杆菌DSM33重复处理再生骨料后，制备砂浆的抗折强度得到显著提升，28天强度提升达到23.26％；抗压强度旅游提升，28天强度提升为4.14％。说明砂浆力学性能得到提高。
表7.再生砂浆耐久性能
由表7可以看出，在使用巴氏芽孢杆菌DSM33重复处理再生骨料后，制备砂浆自然干燥收缩减小，碳化深度减小，说明砂浆的收缩性能、抗碳化性能等耐久性能得到提高。
实施例6
对实施例5中用未处理的骨料和处理后的骨料作为再生骨料制备再生砂浆进行压汞法测试，测试结果见表8。
表8.再生砂浆的孔结构
由表8可以看出，在使用巴氏芽孢杆菌DSM33重复处理再生骨料后，制备砂浆的平均孔径减小，孔隙率略有提升，孔结构渗透率降低，说明砂浆的孔结构得到优化。
由以上实施例可知，采用本发明提供的巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，得到的再生骨料的吸水率降低、质量增加，由再生骨料制备再生砂浆后，再生砂浆的砂浆孔隙结构得到优化，进一步其抗压、抗折强度、收缩性能、抗碳化性能显著提高。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于，步骤如下：
(1)配置增殖培养基，通过滴加NaOH溶液和HCl溶液将pH调至9.0～9.5，灭菌并冷却到室温后接种巴氏芽孢杆菌DSM33，在28～32℃温度，130rpm转速下振荡培养，得到完成增殖的细菌培养液；
(2)向完成增殖的细菌培养液中加入干燥的再生细骨料，静置于28～32℃温度下培养，所述的再生细骨料的尺寸为0.075～4.75mm；
(3)将浸泡后的再生细骨料取出放入沉淀培养基中，静置于28～32℃温度下培养；
(4)完成上述操作，将再生细骨料烘干，得到一次强化后的再生细骨料；
(5)重复进行步骤(1)～(4)的过程对一次强化后的骨料进行重复强化；
步骤(2)中，将再生细骨料在40～60℃的温度下干燥48h～72h得到干燥的再生细骨料；
步骤(5)中，所述重复强化的次数为2次～5次。
2.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(1)中，所述增殖培养基包括15～25g/L的胰蛋白胨、15～25g/L的尿素、3～7g/L的氯化钠和去离子水。
3.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(1)中，振荡培养时间为24h～36h，巴氏芽孢杆菌DSM33细胞浓度107～109cells/mL。
4.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(2)中，再生细骨料与完成增殖的细菌培养液比例为100g：100mL～100g:200mL。
5.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(2)中，再生细骨料与完成增殖的细菌培养液的培养时间为12h～36h。
6.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(3)中，所述沉淀培养基包括2.5～3.5g/L的胰蛋白胨、4～6g/L的氯化铵、15～25g/L的尿素、1.5～2.5g/L的碳酸钠、0.3～0.7mol/L的醋酸钙和去离子水；所述沉淀培养基的pH值为9.0～10.0。
7.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(3)中，再生细骨料与沉淀培养基比例为100g:100mL～100g:400mL，再生细骨料与沉淀培养基培养时间为24h～48h。
8.根据权利要求1所述的利用巴氏芽孢杆菌DSM33强化再生细骨料的方法，其特征在于：步骤(4)中，再生细骨料需在40～60℃的温度下干燥48h～72h。
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