CN112225481A - 一种自愈合混凝土及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种自愈合混凝土及其制备方法。该制备方法将微生物和所需的营养物质首先以浸泡的方式固载到陶粒上，然后与水泥等矿物材料均匀混合，浇筑形成混凝土。在合适的养护环境下，微生物产生碳酸钙将砂等胶结成为整体，从而填充孔隙或裂缝，最终实现裂缝修复，保证结构的抗渗性和耐久性。本发明以陶粒作为载体，一方面能改善细菌的生存环境，防止因混凝土中的高碱环境而死亡，从而提高修复效率；另一方面陶粒作为一种轻质多孔材料，有保温隔热的作用，具有很大的研究价值和应用潜力。

Description

一种自愈合混凝土及其制备方法

技术领域

本发明属于生物混凝土材料领域，涉及一种自愈合混凝土及其制备方法。

背景技术

混凝土抗压强度高、耐久性好、成本低，以至于它是目前使用最广泛的建筑材料。然而混凝土作为一种多相非均质材料，存在抗拉强度低、脆性高，抗裂性能差等缺点，因此在长期使用过程中容易受周围复杂环境的影响，混凝土的表面和内部难以避免会产生微小裂缝。裂缝产生后，不仅混凝土的强度会降低，而且环境中的水、氧气、氯化物和其他腐蚀性物质会通过裂缝侵入混凝土的内部，引发渗漏、碳化、钢筋锈蚀等一系列问题，降低混凝土结构的耐久性。例如隧道及地下工程等场所一旦有裂缝出现将会带来严重后果，这些微小裂缝如果在发展成宏观裂缝之前能得到有效修复，那么将显著提高结构的安全性和耐久性。

对于混凝土裂缝的自修复方法，目前主要包括以下几种方法：基于混凝土自身的矿物自修复、中空纤维、渗透结晶和预埋形状记忆合金等方法。以上这些方法尽管能够在一定程度上实现对混凝土裂缝的自修复，但这些方法也存在着明显的不足：1、矿物自修复法修复量有限，且修复效率较低；2、纤维增强水泥基复合材料虽然比普通混凝土具有较高的潜在自愈合性能，但依然受到龄期、环境介质、温湿度和外加剂等的影响，耗时长，效果不明显；3、渗透结晶会消耗活性物质，对活性物质的加入量有较高的要求。4、预埋形状记忆合金的成本过高，限制了它在建筑工程中的应用。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提供了一种自愈合混凝土及其制备方法，该方法将微生物和所需的营养物质首先以浸泡的方式固载到陶粒上，然后与水泥等矿物材料均匀混合，浇筑形成混凝土。在合适的养护环境下，微生物产生碳酸钙将砂等胶结成为整体，从而填充孔隙或裂缝，最终实现裂缝修复，保证结构的抗渗性和耐久性。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种自愈合混凝土的制备方法，包括如下步骤：

步骤1，利用真空浸渍法，将矿化微生物细菌溶液和营养物质在负压下吸附在陶粒颗粒表面及内部孔隙中，烘干，在陶粒表面喷洒酵母浸膏溶液，喷洒完成后再烘干，得到固载细菌与乳酸钙的陶粒；

步骤2，在固载细菌与乳酸钙的陶粒表面均匀喷涂由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体，干燥得到自修复颗粒；

步骤3，对自修复颗粒预湿处理后，加入混凝土中拌制，将拌制好的混凝土装入模具中，振实抹平，最后进行标准养护，得到自愈合混凝土。

进一步地，步骤1中，所述矿化微生物细菌溶液包括巴氏芽孢杆菌溶液。

进一步地，步骤1中，所述营养物质为乳酸钙。

进一步地，步骤1中，选取的陶粒为负压浸渍15min吸水率≥368.5％的陶粒。

进一步地，步骤3中，所述预湿处理采用直接浸水方式，其拌合总用水量为在净用水量基础上加上载体1h的吸水量。

进一步地，骤1中，所述矿化微生物细菌溶液的浓度为3.6×10⁹个/ml，所述的负压为-0.05～-0.07MPa，吸附时间为15～20min；所述的烘干温度为40±2℃。

进一步地，步骤1中，所述的酵母浸膏溶液的浓度为1.4～1.6g/L。

进一步地，步骤2中，所述的偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体中，偏高岭土、硅酸钠与水的质量比为2.2:1.0:1.1。

进一步地，步骤3中，所述的标准养护为在温度为20±5℃，相对湿度为95％的标准养护条件下养护28天以上。

一种自愈合混凝土，采用所述的制备方法制备而成。

本发明与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)以ATCC11859巴氏芽孢杆菌为裂缝修复剂，以乳酸钙为微生物所需要的钙源，并用陶粒进行固载。当混凝土产生裂缝时，微生物接触到空气与水后，通过酶的催化反应得到碳酸钙沉淀，从而达到自行诊断和修复混凝土裂缝，防止裂缝的扩展，提高混凝土的抗渗性能；

(2)本发明采用的陶粒具有孔隙率高、吸水率高(负压浸渍15min吸水率可达368.5％)、性质稳定、价格低廉等优点，满足微生物裂缝自修复混凝土对载体的要求，并且相对现有技术的直接掺入微生物修复剂不仅会使微生物失去活性甚至死亡，对混凝土后期开裂的裂缝无法取得良好的修复效果，本发明以陶粒为载体，可以大幅度的提高细菌存活率，不仅提高了混凝土的强度，同时对后期裂缝的修复有明显的效果，有利于提高地下工程、水电站、高层建筑等重大结构工程的安全性和耐久性等；

(3)本发明以陶粒作为载体，一方面能改善细菌的生存环境，防止因混凝土中的高碱环境而死亡，从而提高修复效率；另一方面陶粒作为一种轻质多孔材料，有保温隔热的作用，具有很大的研究价值和应用潜力。

附图说明

图1为掺入修复颗粒前后的修复效果图。

图2为本发明自愈合混凝土制备工艺流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

一种自愈合混凝土的制备方法，具体步骤如下：

步骤1，选用具有矿化沉淀功能的巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii，ATCC11859)为菌体冻干粉，使用前应按照微生物培养方法对菌体进行活化；

步骤2，利用真空浸渍法，将矿化微生物ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液和乳酸钙在负压下吸附在陶粒颗粒表面及内部孔隙中，烘干，在陶粒表面喷洒酵母浸膏溶液，喷洒完成后再烘干，得到固载细菌与乳酸钙的陶粒；

步骤3，在固载细菌与乳酸钙的陶粒表面均匀喷涂由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体，干燥得到自修复颗粒；

步骤4，对自修复颗粒预湿处理后，加入混凝土中拌制，将拌制好的混凝土装入模具中，振实抹平，最后进行标准养护，得到自修复的混凝土。

优选地，步骤1中，所述的菌液浓度为3.6×10⁹个/ml。

优选地，步骤2中，所述的负压为-0.05～-0.07MPa，吸附时间为15～20min。

优选地，步骤2中，所述的烘干温度为40±2℃。

优选地，步骤2中，所述的酵母浸膏溶液的浓度为1.4～1.6g/L。

优选地，步骤3中，所述的偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体中，偏高岭土、硅酸钠与水的质量比为2.2:1.0:1.1。

优选地，步骤4中，所述的标准养护为在温度为20±5℃，相对湿度为95％的标准养护条件下养护28天以上。

实施例1

步骤1：将试验所用的微生物ATCC11859巴氏芽孢杆菌按照好氧微生物的常规接种、培养方法，利用液体培养基对芽孢杆菌进行大量培养，所用培养基的组成成分如下：超纯水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g，碳酸钠0.53g，碳酸氢钠0.42g，琼脂粉18g。巴氏芽孢杆菌是一株好氧菌，生长过程需要氧的摄入，在超净台上将菌体接种至装液量为150mL的锥形瓶内，将其置于恒温摇床内，在摇床温度30℃，振荡频率为120r/min条件下恒温培养24h，得到含芽孢杆菌菌体以及孢子的菌液。将所得菌液用蒸馏水稀释至OD600值为0.40后，然后进行下一步操作，菌液浓度为3.6×10⁹个/ml。

步骤2：固载微生物前取新鲜菌液备用，菌液与载体的结合采用真空吸附法，其具体操作方法为：将待吸附的载体放入锅中，并将真空锅锅盖拧紧，关闭进气口，打开吸气口，开启真空泵，将锅内的气压吸至负压0.06MPa，然后将进气口塑料管口浸入菌液中，并缓缓开启入气口阀门，将菌液吸入真空锅中，期间保持锅内压力为负压0.06MPa不变，待菌液吸附完毕，使载体对菌液充分吸附，关闭所有阀门，使其保持15～20min。吸附菌液后将陶粒用筛网滤去多余菌液，放入40±2℃的烘箱中烘干至恒重。

步骤3：乳酸钙与载体的结合采用真空吸附法，为保证直接掺入的乳酸钙试件组和以陶粒固载乳酸钙试件组的乳酸钙用量一致，通过陶粒的15～20min负压吸水率368.5％进行计算，当掺入25％的乳酸钙载体时，发现需要配置质量分数10～15％的乳酸钙溶液，将乳酸钙粉末用热水溶解，配制成质量分数为10～15％的溶液，将待吸附的陶粒放入锅中，并将真空锅锅盖拧紧，关闭进气口，打开吸气口，开启真空泵，将锅内的气压吸至负压0.06MPa，然后将进气口塑料管口浸入乳酸钙溶液中，并缓缓开启入气口阀门，将乳酸钙溶液吸入真空锅中，期间保持锅内压力为负压0.06MPa不变，待乳酸钙溶液吸附完毕，关闭所有阀门，使其保持20～25min。吸附乳酸钙溶液后将陶粒用筛网滤去多余液体，放入100℃的烘箱中烘干至恒重。

步骤4：对干燥所得的含菌陶粒颗粒进行外包裹处理，所用包裹材料为偏高岭土，硅酸钠溶液与水混合所得的浆体，浆体中各组分含量为偏高岭土：硅酸钠溶液：水＝2.2:1.0:1.1。载体包裹方法为：将喷涂箱倾斜放置，取IL载体均匀平铺在喷涂箱内，将喷涂材料按照配比称量，先将水加入水玻璃中搅拌均匀，然后向称量好的偏高岭土倒入水玻璃溶液搅拌均匀(如果是水泥浆就先将减水剂加入水中，再将拌合水加入水泥)，打开空压机，将空压机调到0.4～0.6MPa，然后将搅拌好的浆体倒入喷涂料桶，打开喷枪开关调节合适大小进行喷涂，喷涂30s后，翻转陶粒，对另一面进行喷涂30s，如此为一个循环，循环此过程直至喷涂材料喷完。喷涂结束后将喷涂好的载体进行装袋养护12h，然后放入40±2℃烘箱内烘干至恒重。

步骤5：在试件制作前需对包裹后的载体预湿处理，预湿采用直接浸水方式，其拌合总用水量为在净用水量基础上加上载体1h的吸水量。按照下面的投料顺序和搅拌时间拌制混凝土：

(1)将包裹处理后的载体预湿；

(2)将砂、碎石投入搅拌机内搅拌60s；

(3)将减水剂加入所需拌合水中混合均匀备用；

(4)将水泥、粉煤灰等胶凝材料和预湿的载体投入搅拌机内搅拌60s；

(5)将加入减水剂的拌合水投入搅拌机内继续搅拌30s；

将拌制好的混凝土装入100mm×50mm(d×h)圆柱模具中，用振动台振实抹平。振动时控制振动时间，以防止和泥土出现分层、离析现象。试件成型后，在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜以防止水分流失，并在20℃的环境中静置一昼夜。然后对混凝土进行编号、拆模，并在相对湿度为95％的标准养护条件下继续养护28天。

取养护14d龄期下的混凝土试块，人工制造裂缝。利用三点抗折劈裂法在100mmx25mm(dxh)板件中部人为地制造裂缝，想要获得理想的裂縫宽度，需用0.1mm厚的硅胶膜嵌入裂缝，使每组试件最小裂缝宽度保持在0.1mm以上，然后将分裂后的块体利用金属式喉箍进行绑扎组合，沿着裂缝长度方向每间隔1cm取测量点，在试件的正反两面分别用记号笔标记测量点。图1为掺入自修复颗粒前后的修复效果。上面一排是对照组，下面一排是陶粒组，对照组为直接掺菌，从图中可以看出，以陶粒载菌的裂缝修复效果比直接掺菌的更好。

本实施例的自愈合混凝土由下列重量的原料制成：水泥950g，粉煤灰105g，水310g，砂子360g，108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液20ml，乳酸钙10g，引气剂0.1g，PVA纤维6g，减水剂3g。

本领域普通技术人员可以理解：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种自愈合混凝土的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，利用真空浸渍法，将矿化微生物细菌溶液和营养物质在负压下吸附在陶粒颗粒表面及内部孔隙中，烘干，在陶粒表面喷洒酵母浸膏溶液，喷洒完成后再烘干，得到固载细菌与乳酸钙的陶粒；

步骤2，在固载细菌与乳酸钙的陶粒表面均匀喷涂由偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体，干燥得到自修复颗粒；

步骤3，对自修复颗粒预湿处理后，加入混凝土中拌制，将拌制好的混凝土装入模具中，振实抹平，最后进行标准养护，得到自愈合混凝土。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述矿化微生物细菌溶液包括巴氏芽孢杆菌溶液。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述营养物质为乳酸钙。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，选取的陶粒为负压浸渍15min吸水率≥368.5％的陶粒。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述预湿处理采用直接浸水方式，其拌合总用水量为在净用水量基础上加上载体1h的吸水量。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述矿化微生物细菌溶液的浓度为3.6×10⁹个/ml，所述的负压为-0.05～-0.07MPa，吸附时间为15～20min；所述的烘干温度为40±2℃。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，所述的酵母浸膏溶液的浓度为1.4～1.6g/L。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述的偏高岭土、硅酸钠与水混合形成的浆体中，偏高岭土、硅酸钠与水的质量比为2.2:1.0:1.1。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，所述的标准养护为在温度为20±5℃，相对湿度为95％的标准养护条件下养护28天以上。

10.一种自愈合混凝土，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成。

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