CN112624655B - 基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料及其制备方法。所述的自修复水泥基材料包含以下重量份数的原料：水泥360～500份，权利要求7所述的负载微生物的人造功能载体95～380份，尿素3～15份，乳酸钙3～15份，砂800～1500份，水180～300份。本发明的基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料具有良好的裂缝自修复能力，当水泥基材料开裂时，预埋的负载微生物的人造功能载体能够触发一系列生物化学反应，生成更多的碳酸钙和C‑S‑H凝胶等修复产物，同时，所添加的负载微生物的人造功能载体对水泥基材料本身强度影响较小，有效提高水泥基材料的耐久性。

Description

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料及其制备 方法

技术领域

本发明属于建筑材料领域，涉及一种自修复水泥基材料，特别涉及一种基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料及其制备方法。

背景技术

混凝土以其抗压强度高、耐久性好、取材方便、价格低廉等优异的性能成为应用最广泛的土木工程材料。但是由于混凝土的抗拉强度低，受到荷载、收缩、温度变形、不均匀沉降等因素作用易发生开裂，影响混凝土的结构强度和耐久性。

针对混凝土裂缝修复问题，传统的修复方法主要包括表面修补法、压力灌浆法、结构补强法和混凝土置换法。这些传统的维修方法往往需要定期检查和维修。由于微裂缝很难被及时检测出来，常规的维修手段只能修复裂缝表面，无法对结构内部进行修复，且维修成本较高、工作耗时费力，修复效果不理想，无法满足当代建筑材料对环境友好型的发展要求。

因此，近年来裂缝自修复技术受到了广泛关注。其中，基于微生物矿化技术的混凝土裂缝自修复技术作为一种环境友好的方式，具有很大的应用潜能。微生物矿化技术用于混凝土裂缝自修复的一个核心问题就是要保证微生物在混凝土中的长期活性。目前，研究人员已经使用轻骨料、粉煤灰陶粒、膨胀珍珠岩、聚氨酯、微胶囊等多种载体来保护微生物。但这些载体在保护微生物的同时，对混凝土强度等性能带来了负面影响，限制了混凝土的使用范围。此外，现有微生物自修复水泥基材料所采用的微生物载体功能单一，多数载体仅具备保护微生物的功能，而载体本身对裂缝自修复的贡献没有被充分利用。

矿渣作为冶金工业的主要废弃物，对土壤、水资源、大气都有毒害作用，严重影响生态环境。目前矿渣在水泥工业中主要作为水泥混合材料进行使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料及其制备方法，通过人造功能载体的多功能性显著提高水泥基材料裂缝自修复能力，同时对水泥基材料本身强度影响较小，从而有效提高水泥基材料的耐久性。

实现本发明目的的技术方案如下：

负载微生物的人造功能载体的制备方法，包括以下步骤：

(1)将活化后的微生物接种至液体培养基中恒温振荡培养获得菌液，离心后收集菌泥，用蒸馏水洗出菌泥，制得菌体悬浮液，将菌体悬浮液均匀喷洒到碳酸钙粉末上，干燥、粉磨后获得载菌的碳酸钙粉末；

(2)将矿渣、载菌的碳酸钙粉末、碳酸根缓释组分及营养组分置于水泥砂浆机内慢速搅拌至拌合均匀，然后加入质量分数为20％的硅酸钠溶液作为粘结剂，先慢速搅拌后快速搅拌，形成小颗粒，再将上述处理后的原材料造粒，待颗粒粒径达到所需粒径后取出，烘干，获得负载微生物的人造功能载体内核；

(3)将负载微生物的人造功能载体内核涂覆一层环氧树脂AB胶溶液，自然晾干固化后，在涂覆树脂的负载微生物的人造功能载体内核采用喷洒水雾的方式，在涂覆树脂的负载微生物的人造功能载体内核表面包裹一层硫铝酸盐水泥外壳，筛分出1.18～4.75mm粒径的颗粒，置于20℃、95％相对湿度条件下养护3d，获得负载微生物的人造功能载体。

具体地，步骤(1)中，所述的微生物为产脲酶细菌，所述的碳酸根缓释组分为碳酸钠、碳酸钾等中的一种或几种，所述的营养组分为酵母提取物、蛋白胨、牛肉膏等中的一种或几种。

优选地，步骤(2)中，搅拌时间均为20s。

优选地，步骤(2)中，采用圆盘造粒。

优选地，步骤(2)中，烘干温度为40℃，烘干时间为24h。

优选地，步骤(3)中，自然晾干固化时间为24h。

本发明还提供上述制备方法制得的负载微生物的人造功能载体。

进一步地，本发明提供一种基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料，按重量份数计，由以下原料组成：水泥360～500份，负载微生物的人造功能载体95～380份，尿素3～15份，乳酸钙3～15份，砂800～1500份，水180～300份。

更进一步地，本发明提供上述基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料的制备方法，包括以下步骤：

按重量份数，首先将尿素溶解于拌和水中，倒入砂浆搅拌锅；之后，加入水泥和乳酸钙，在砂浆搅拌机中搅拌均匀；最后加入砂和负载微生物的人造功能载体，搅拌均匀后倒入模具中成型，拆模后继续养护至规定龄期，得到自修复水泥基材料。

在本发明具体实施方式中，采用标准养护，养护温度为20±2℃，湿度为95％以上，养护时间为28d。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

(1)本发明的负载微生物的人造功能载体，其中人造功能载体内核主要负载微生物，提供火山灰活性物质与碳酸根缓释组分；树脂膜层作为一层高分子憎水机材料，主要阻止水分子的传输，提高微生物的保护效果降低碳酸根组分的流失，降低人造功能载体吸水率；低碱性硫铝酸盐水泥外壳为人造功能载体提高强度，提高人造功能载体与水泥基材料的相容性；

(2)本发明通过圆盘造粒技术，利用矿渣制备成具有修复功能的人造功能载体，提高了矿渣的利用率，拓宽了矿渣的应用范围；

(3)本发明的基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料具有良好的裂缝自修复能力，当水泥基材料开裂时，预埋的负载微生物的人造功能载体能够触发一系列生物化学反应，生成更多的碳酸钙和C-S-H凝胶等修复产物，同时，人造功能载体可以有效保护微生物，有利于水泥基材料裂缝自修复能力的长期保持；此外，所添加的负载微生物的人造功能载体基本不影响水泥基材料本身强度，从而有效提高水泥基材料的耐久性。

附图说明

图1是本发明制备的自修复水泥基材料断裂截面。

图2是本发明制备的自修复水泥基材料的裂缝自修复效果：(a)裂缝修复前；(b)裂缝修复后。

图3是本发明制备的自修复水泥基材料的抗压强度。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本发明的技术方案作进一步说明。

下述实施例中，采用的树脂为环氧树脂AB胶，购自雅颂公司。

实施例1

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料，按重量份数计，由以下原料制成：

水泥450份，负载微生物的人造功能载体95份，砂子1233份，乳酸钙4.5份，尿素4.5份，水225份。

负载微生物的人造功能载体的具体制备方法如下：

(1)将活化后的产脲酶微生物接种至液体培养基中恒温振荡培养获得菌液，将菌液用离心机以8000r/min离心10min，获得菌泥，用蒸馏水洗出菌泥，制得菌体悬浮液浓度为3×10⁹cfu/ml，将30ml菌体悬浮液均匀喷洒到155g碳酸钙粉末上，40℃干燥、粉磨后获得载菌的碳酸钙粉末。

(2)称取700g矿渣，155g载菌的碳酸钙粉末，45g酵母提取物，100g碳酸钠。置于水泥砂浆机内慢速搅拌20s拌合均匀，加入质量分数20％的硅酸钠溶液240g作为粘结剂，先慢速搅拌20s后快速搅拌20s，形成小颗粒。将上述处理后的原材料转移至圆盘造粒机继续造粒，圆盘造粒机倾角调为45°，转速30r/min。待颗粒粒径达到所需粒径后取出，放入40℃的烘箱内烘24h，获得所述的负载微生物的人造功能载体内核。

(3)将负载微生物的人造功能载体内核涂覆一层树脂溶液，涂覆均匀后放在托盘上，洒一层低碱性硫铝酸盐水泥，以防颗粒粘连在一起。待其24h自然晾干固化后，将涂覆树脂的负载微生物的人造功能载体内核放置在圆盘造粒机内，采用喷水壶均匀喷洒水雾的方式，继续包裹一层硫铝酸盐水泥外壳。筛分出1.18-4.75mm粒径范围的颗粒，置于20℃、95％相对湿度条件下养护3d，即得所述的负载微生物的人造功能载体。

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料的制备方法如下：

首先将4.5份尿素溶解于225份拌和水中，倒入砂浆搅拌锅；之后，加入450份水泥和4.5份乳酸钙，在砂浆搅拌机中搅拌均匀；最后加入1233份砂子和95负载微生物的人造功能载体，搅拌均匀后倒入模具中成型，拆模后继续标准养护(温度20±2℃，湿度为95％以上)28d，得到所述的自修复水泥基材料。

图1为所制备的自修复水泥基材料断裂截面。从图中可以看出，当水泥基材料发生开裂破坏时，负载微生物的人造功能载体能够有效破裂，从而保证自修复功能的发挥。

实施例2

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料，按重量份数计，由以下原料制成：

水泥450份，负载微生物的人造功能载体190份，砂子1117份，乳酸钙4.5份，尿素4.5份，水225份。

负载微生物的人造功能载体的具体制备方法与实施例1相同。

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料的制备方法与实施例1相同。

将制备的自修复水泥基材料通过压力机劈裂的方法预制宽度为0.4mm左右的裂缝，采用水养的方式进行修复28d，评价裂缝自修复效果。

图2是所制备的自修复水泥基材料的裂缝自修复效果。所制备的自修复水泥基材料具有良好的裂缝自修复能力，水养修复28d后0.4mm左右的裂缝得到有效修复且修复产物较为密实。

实施例3

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料，按重量份数计，由以下原料制成：

水泥450份，负载微生物的人造功能载体380份，砂子881份，乳酸钙4.5份，尿素4.5份，水225份。

负载微生物的人造功能载体的具体制备方法与实施例1相同。

基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料的制备方法与实施例1相同。

测试所制备的自修复水泥基材料的抗压强度。将实施例1、实施例2、实施例3所制备的自修复水泥基材料的抗压强度与基准组对比，结果如图3所示。基准组水泥基材料由以下原料制成：水泥450份，砂子1350份，水225份。由图3可知，所制备的负载微生物的人造功能载体对水泥基材料的强度影响较小。

以上仅为本发明的较佳实例，并非对本发明任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实例，但凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作出的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.负载微生物的人造功能载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将活化后的微生物接种至液体培养基中恒温振荡培养获得菌液，离心后收集菌泥，用蒸馏水洗出菌泥，制得菌体悬浮液，将菌体悬浮液均匀喷洒到碳酸钙粉末上，干燥、粉磨后获得载菌的碳酸钙粉末，所述的微生物为产脲酶细菌；

（2）将矿渣、载菌的碳酸钙粉末、碳酸根缓释组分及营养组分置于水泥砂浆机内慢速搅拌至拌合均匀，然后加入质量分数为20%的硅酸钠溶液作为粘结剂，先慢速搅拌后快速搅，形成小颗粒，再将上述处理后的原材料造粒，待颗粒粒径达到所需粒径后取出，烘干，获得负载微生物的人造功能载体内核；

（3）将负载微生物的人造功能载体内核涂覆一层环氧树脂AB胶溶液，自然晾干固化后，在涂覆树脂的负载微生物的人造功能载体内核采用喷洒水雾的方式，在涂覆树脂的负载微生物的人造功能载体内核表面包裹一层硫铝酸盐水泥外壳，筛分出1.18~4.75mm粒径的颗粒，置于20℃、95％相对湿度条件下养护3d，获得负载微生物的人造功能载体。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（1）中，所述的碳酸根缓释组分为碳酸钠或碳酸钾，所述的营养组分为酵母提取物、蛋白胨或牛肉膏。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，搅拌时间均为20s。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，采用圆盘造粒。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（2）中，烘干温度为40℃，烘干时间为24h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤（3）中，自然晾干固化时间为24h。

7.根据权利要求1~6任一所述的制备方法制得的负载微生物的人造功能载体。

8.基于人造功能载体负载微生物的自修复水泥基材料，其特征在于，按重量份数计，由以下原料组成：水泥360~500份，权利要求7所述的负载微生物的人造功能载体95~380份，尿素3~15份，乳酸钙3~15份，砂800~1500份，水180~300份。

9.根据权利要求8所述的自修复水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

按重量份数，首先将尿素溶解于拌和水中，倒入砂浆搅拌锅；之后，加入水泥和乳酸钙，在砂浆搅拌机中搅拌均匀；最后加入砂和负载微生物的人造功能载体，搅拌均匀后倒入模具中成型，拆模后继续养护至规定龄期，得到自修复水泥基材料。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，采用标准养护，养护温度为20±2℃，湿度为95％以上，养护时间为28d。

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