CN112811842A - 与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂及其制备方法。该微生物修复剂为包括芯材和壁材的核壳结构，芯材为微生物粉体，壁材为掺有强度协同增长组分的低碱性无机胶凝材料；其中，强度协同增长组分为粉煤灰、偏高岭土、粒化高炉矿渣、粒化磷渣中的一种或几种。其制备方法为：将强度协同增长组分与低碱性无机胶凝材料混合均匀，得壁材粉料；采用造粒机先制备微生物粉体内核，然后包覆壁材；取出养护，即得微生物修复剂。本发明的微生物修复剂以掺有强度协同增长组分的低碱性无机胶凝材料为壁材，能够使微生物在与混凝土的搅拌过程中保持完整并及时响应，同时，其掺入混凝土后可与混凝土基体强度同增长，不会劣化混凝土强度。

Description

与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种微生物修复剂及其制备方法，具体涉及一种用于修复混凝土裂缝的、与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂及其制备方法，属于建筑材料技术领域。
背景技术
混凝土作为最主要的工程材料之一，在可预见的未来仍具有不可替代性。而混凝土材料在使用过程中不可避免出现开裂，导致结构耐久性降低、使用功能丧失及服役寿命缩短等问题，给混凝土构筑物带了巨额的修补和维护费用。微生物自修复混凝土作为一种结构新材料，是一种很有潜力的混凝土裂缝长效解决方案。
然而，硅酸盐水泥完全水化后，氢氧化钙含量约为20％，混凝土内部孔隙溶液pH高于13；且硬化后的水泥混凝土孔包括特征尺寸为0.5-10nm的凝胶孔、特征尺寸为5-5000nm的毛细孔以及成型的残留气孔、接触处的孔穴等。对于常用的矿化微生物及芽孢，其物理尺寸均小于<10μm，且pH耐受性小于13。因此，自混凝土拌和开始，微生物便受到高碱性水化产物的影响，随着凝结硬化的进行，又受到物理空间的挤压，其在混凝土内部的长期存活能力成为微生物自修复混凝土面临的最大问题。
为了延长微生物芽孢在混凝土内部的存活时间以便修复后期裂缝，目前常用的方法是对微生物或芽孢进行负载保护，为微生物提供稳定的物理和化学生存空间。载体选择时，不仅要保证其在搅拌过程中保持完整，又要能够实现对混凝土裂缝的及时响应。而由于载体内部负载微生物，因此修复剂的添加对于混凝土基体而言相当于引入了部分“缺陷”，将对混凝土基体的强度产生负面影响。目前采用较多的轻集料多孔载体、酚醛树脂、脲醛树脂等高分子材料载体均存在掺加后影响混凝土基体强度问题。
发明内容
发明目的：针对现有微生物修复剂的掺加会劣化混凝土基体强度的问题，本发明提供一种与混凝土基体强度协同增长的微生物修复剂，在保证其混凝土搅拌过程中的完整性的同时，可实现掺入后与混凝土基体强度同增长的效果；并提供了一种该微生物修复剂的制备方法，该方法制得的修复剂可改善裂缝区溶液离子特征。
技术方案：本发明所述的与混凝土基体强度协同增长的微生物修复剂，该微生物修复剂为包括芯材和壁材的核壳结构，芯材为微生物粉体，壁材为掺有强度协同增长组分的低碱性无机胶凝材料；其中，强度协同增长组分为粉煤灰、偏高岭土、粒化高炉矿渣、粒化磷渣中的一种或几种。
低碱性无机胶凝材料可为低碱性硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、氧化镁、磷酸钾镁水泥中的一种或几种。
优选的，壁材中，强度协同增长组分与低碱性无机胶凝材料的质量比为(5-40):100。
本发明所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂的制备方法，包括如下步骤：
(1)将强度协同增长组分与低碱性无机胶凝材料混合均匀，得壁材粉料；
(2)将微生物粉体经造粒机制备得颗粒状内核，即为芯材；
(3)将步骤(1)所得壁材粉料加入造粒机，在内核颗粒表面均匀包覆壁材；
(4)取出，常温洒水养护，即得所述微生物修复剂。
优选的，步骤(1)中，壁材的制备过程中，施加钙离子溶液；步骤(4)中，所述养护过程中，施加钙离子溶液。钙离子溶液可为硝酸钙、甲酸钙、亚硝酸钙、溴化钙、氯化钙中的一种或几种。
发明原理：本发明的微生物修复剂中，壁材使用的胶凝材料为低碱性胶凝材料，其水化产物不包含碱性物质；强度增长组分掺加后，不会发生化学反应，仅充当填料作用，填充壁材胶凝产物的孔隙空间。当制备所得修复剂加入混凝土后，由于混凝土基体一般使用硅酸盐水泥，其水化后会生成大量的碱性物质，随着混凝土基体中的碱性物质向颗粒内部渗透，强度增长组分会与碱反应产生水化作用，形成胶凝材料，从而在消耗碱性物质的同时增强基体的强度。
有益效果：与现有技术相比，本发明的优点为：(1)本发明的微生物修复剂以掺有强度协同增长组分的低碱性无机胶凝材料为壁材，能够使微生物在与混凝土的搅拌过程中保持完整并及时响应，同时，其掺入混凝土后可与混凝土基体强度同增长，不会劣化混凝土强度；(2)本发明的微生物修复剂养护时间短；(3)本发明的修复剂的制备方法在制备和养护过程中施加钙离子溶液，当混凝土产生裂缝后，该修复剂可释放一定的钙离子改善裂缝区的矿化环境，促进微生物矿化修复裂缝；而且，该制备方法操作简单、成本低。
附图说明
图1为不同溶液养护制得的微生物修复剂颗粒的抗压碎力值随时间变化曲线；
图2为实施例2养护过程中，微生物修复剂颗粒强度随时间变化曲线；
图3为随养护时间变化，普通混凝土与微生物自修复混凝土裂缝区的钙离子浓度(a)和累计钙离子溶出量变化曲线(b)；
图4为不同养护环境下，不同组分含量的微生物修复剂颗粒强度随时间变化曲线；
图5为混凝土不同龄期，裂缝面的微生物修复剂开裂情况；其中，(a)～(d)分别为成型3d、7d、14d和28d时的裂缝面。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。
实施例1
制备微生物修复剂1，壁材中粉煤灰重量比为20％，低碱性胶凝材料重量比为80％，制备和养护过程喷洒100g/L的甲酸钙溶液。
制备微生物修复剂2，壁材中粉煤灰重量比为20％，低碱性胶凝材料重量比为80％，制备和养护过程喷洒去离子水。
采用智能型颗粒强度测试仪测定两类修复剂颗粒抗压碎力值随时间变化规律。从图1可以看出，采用钙离子溶液养护的微生物修复剂其强度发展较快，超早期强度比较高，缩短了养护时间，这对于微生物修复剂的批量化生产是比较有利的。
实施例2
制备微生物修复剂，壁材中粉煤灰重量比为20％，低碱性胶凝材料重量比为80％，制备和养护过程喷洒2mol/L的硝酸钙溶液。
将微生物修复剂养护至颗粒强度趋于稳定。当颗粒强度发展稳定后，改用混凝土模拟孔隙溶液养护微生物修复剂，模拟孔隙溶液的组成成分如表1所示。
表1混凝土模拟孔隙溶液
Figure BDA0002904618020000031
测试微生物修复剂颗粒强度随时间的变化规律。如图2所示，修复剂颗粒强度养护至稳定后，改变养护模式，采用混凝土模拟孔隙溶液养护。在模拟孔隙溶液的侵蚀下，颗粒强度出现了二次增长。说明本发明的微生物修复剂在加入混凝土后，随着水泥水化形成碱性条件会激发修复剂强度实现二次增长。
实施例3
制备微生物修复剂，壁材中粉煤灰重量比为10％，低碱性胶凝材料重量比为90％，制备和养护过程喷洒100g/L的甲酸钙溶液。
将微生物修复剂掺加进混凝土，制备微生物自修复混凝土。养护至28d后，将混凝土制备裂缝，并在裂缝区域内注满去离子水。测试普通混凝土与微生物自修复混凝土裂缝区的钙离子浓度和累计钙离子溶出量。
结果图3所示，该修复剂能够实现对裂缝区理化环境特征的改变，裂缝区溶液钙离子浓度较高，且累计溶出量远大于普通混凝土。这为微生物矿化提供了有利的环境，为微生物诱导生成碳酸钙沉淀提供了额外的钙离子。
实施例4
制备微生物修复剂1，壁材中粉煤灰重量比为5％，低碱性胶凝材料重量比为95％，制备过程喷洒去离子水。制备完成后采用去离子水养护7d后改用模拟孔隙溶液养护28d。
制备微生物修复剂2，壁材中粉煤灰重量比为40％，低碱性胶凝材料重量比为60％，制备过程喷洒去离子水。制备完成后采用去离子水养护7d后改用模拟孔隙溶液养护28d。
采用智能型颗粒强度测试仪测定两类修复剂颗粒抗压碎力值随时间变化规律。从图4可以看出，通过调整强度协同增长组分的含量可以调整修复剂的强度发展历程。
实施例5
制备微生物修复剂，壁材中粉煤灰重量比为20％，低碱性胶凝材料重量比为80％，制备和养护过程喷洒2mol/L的硝酸钙溶液。
将制得的微生物修复剂掺入混凝土内部，配制C35强度的混凝土，成型为100×100×400mm试件。在成型至3d、7d、14d和28d时，采用四点抗折方法将试件折断，观察裂缝面的修复剂开裂情况。从图5可以看出，在混凝土不同龄期，修复剂都能够有效的开裂，说明本发明的微生物修复剂可及时响应。

Claims (6)

1.一种与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂，其特征在于，所述微生物修复剂为包括芯材和壁材的核壳结构，所述芯材为微生物粉体，所述壁材为掺有强度协同增长组分的低碱性无机胶凝材料；其中，所述强度协同增长组分为粉煤灰、偏高岭土、粒化高炉矿渣、粒化磷渣中的一种或几种。
2.根据权利要求1所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂，其特征在于，所述低碱性无机胶凝材料为低碱性硫铝酸盐水泥、铝酸盐水泥、铁铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、氧化镁、磷酸钾镁水泥中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂，其特征在于，所述壁材中，强度协同增长组分与低碱性无机胶凝材料的质量比为(5-40):100。
4.一种权利要求1所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将强度协同增长组分与低碱性无机胶凝材料混合均匀，得壁材粉料；
(2)将微生物粉体经造粒机制备得颗粒状内核，即为芯材；
(3)将步骤(1)所得壁材粉料加入造粒机，在内核颗粒表面均匀包覆壁材；
(4)取出，常温洒水养护，即得所述微生物修复剂。
5.根据权利要求4所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述壁材的制备过程中，施加钙离子溶液；步骤(4)中，所述养护过程中，施加钙离子溶液。
6.根据权利要求4所述的与混凝土基体强度同增长的微生物修复剂的制备方法，其特征在于，所述钙离子溶液为硝酸钙、甲酸钙、亚硝酸钙、溴化钙、氯化钙中的一种或几种。
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