CN113185230A - 一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料及其制备方法 - Google Patents

一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土及其制备方法，属于混凝土制备技术领域。本发明的制备方法包含以下步骤：将矿化细菌芽孢溶液与吸附材料混合后涂布于网格布上，得到网格布1；将酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙和尿素混合于水中，之后加入吸附材料得到糊状混合液，将糊状混合液涂布于网格布上，得到网格布2；将网格布1和网格布2紧贴放置，固定于混凝土受拉面模具边缘处，将水泥、水、细骨料和粗骨料混合后注入模具中，成型脱模后即可。本发明的混凝土利用网格布将微生物自修复剂定位于混凝土的受拉面，能够节约微生物自修复剂的用量，降低微生物自修复混凝土的制作成本，同时提高混凝土受拉区的抗裂性能。

Description

一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料及其 制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土制备技术领域，尤其涉及一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料及其制备方法。
背景技术
混凝土结构具有良好的力学特性和耐久性，在工程中被广泛应用。混凝土材料抗压性能优越，但抗拉强度较低，极易在受拉的状态下产生裂缝。混凝土裂缝会破坏原结构的水密性，使外界的水分和一些有害离子通过裂缝侵入混凝土内部，腐蚀混凝土基质和钢筋，加速结构的破坏，缩短混凝土的服役寿命。所以，混凝土结构受拉区裂缝的预防与修复一直是工程领域的一项技术难题。
利用微生物矿化结晶的原理实现混凝土裂缝的自修复是近年来提出的一项新技术。将自然界中的一些脲酶产菌培养并芽孢化，固载保护后与营养物质、尿素、钙盐等共同组成微生物自修复剂。在混凝土制作的过程中向混凝土拌合物加入微生物自修复剂，可制成微生物自修复混凝土。微生物自修复混凝土未开裂时，内部的细菌芽孢处于休眠状态。混凝土一旦开裂，外部的水分和氧气进入裂缝，激活裂缝周围的细菌芽孢，脲酶产菌利用预埋于混凝土的尿素和钙盐进行矿化反应，生成碳酸钙晶体，填充裂缝。研究表明，微生物自修复混凝土因其诱导生成的碳酸钙晶体与混凝土材料有良好的相容性，具有较大的工程应用潜力。
在微生物自修复混凝土配制的过程中，目前普遍采用的方法是将微生物自修复剂与混凝土拌合物充分混合，使微生物自修复剂均匀分散在混凝土内部。在混凝土结构使用过程中，裂缝一般出现于受拉区，而受压区的混凝土不易开裂。所以，将微生物自修复剂均匀布置于混凝土内部势必会造成材料的浪费，提高工程成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料及其制备方法，采用韧性材料将微生物自修复剂定位于混凝土结构受拉面，在提高混凝土受拉面抗裂性的同时实现裂缝的自修复剂功能，并能大大节约微生物自修复剂的用量，降低工程成本。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料的制备方法，包括以下步骤：
1)将矿化细菌芽孢溶液与吸附材料混合后涂布于网格布上，得到网格布1；
2)将酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙和尿素混合于水中，之后加入吸附材料得到糊状混合液，将糊状混合液涂布于网格布上，得到网格布2；
3)将网格布1和网格布2紧贴放置，固定于混凝土受拉面模具边缘处，将硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料混合后注入模具中，成型脱模后即得到自修复混凝土材料。
进一步的，所述网格布包含玻纤网格布和/或石材网格布；所述网格布的面积为0.01～2.0m2，网眼尺寸为8mm×8mm或10mm×10mm。
进一步的，所述吸附材料包含硅藻土、活性炭、活性炭纤维和沸石中的一种或几种；所述吸附材料的比表面积为25～35m2/g，粒径为5～20μm。
进一步的，所述矿化细菌芽孢溶液的浓度为2.0×109～3.0×109cells/mL；所述矿化细菌芽孢包含嗜碱性巴氏芽孢杆菌。
进一步的，步骤1)中，所述矿化细菌芽孢溶液和吸附材料的体积质量比为20～40mL：10～20g。
进一步的，步骤2)中，所述酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙、尿素、水和吸附材料的质量体积比为2.5～8g：2.0～3.0g：5～15g：5～15g：20～40mL：10～20g。
进一步的，所述细骨料包含河砂，所述细骨料的细度模数为2.3～3.0；所述粗骨料包含碎石，所述粗骨料的粒径为5～20mm。
进一步的，步骤3)中，所述硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料的质量比为5～10：2～4：10～20：20～40。
进一步的，步骤3)中，网格布1的涂布面和网格布2的涂布面紧贴放置，网格布2一侧朝向凝土受拉面模具边缘，且固定于距混凝土受拉面模具边缘2～5cm处。
本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料。本发明的有益效果：
本发明自修复混凝土材料的工作原理如下：混凝土的受拉面容易产生裂缝，采用韧性材料网格布将微生物自修复剂(矿化细菌芽孢和营养物质)定位于混凝土受拉面，能够在提高混凝土受拉面抗裂性的同时实现受拉面裂缝的自修复。当混凝土未开裂时，网格布上的细菌芽孢处于休眠状态，且网格布会对受压面混凝土起到阻裂增韧作用；当混凝土受拉面开裂后，裂缝贯穿至网格布处。此时向裂缝提供空气和自由水，能够唤醒网格布上固着的细菌芽孢，同时溶解细菌生长和矿化所需的酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙和尿素，形成有利于细菌矿化的水环境。矿化细菌会在裂缝内发生矿化反应，生成碳酸钙晶体，逐步修复裂缝。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明采用网格布将微生物自修复剂成分定位于混凝土的受拉面附近，与将微生物自修复剂均匀混合于混凝土的传统方法相比，能够节约大量的微生物芽孢和营养物质，降低微生物自修复混凝土的制作成本。
(2)在混凝土受拉面附近的网格布能够有效阻止混凝土受拉区的开裂，提高混凝土受拉面的抗裂性。
(3)混凝土受拉区开裂后，在适宜的外部条件下，微生物自修复剂能够产生碳酸钙晶体，实现裂缝的自修复。
附图说明
图1为混凝土模具示意图；
图2为一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料示意图；
图3为三点抗弯性能测试示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材的制备方法，包括以下步骤：
1)将矿化细菌芽孢溶液与吸附材料混合后涂布于网格布上，得到网格布1；
2)将酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙和尿素混合于水中，之后加入吸附材料得到糊状混合液，将糊状混合液涂布于网格布上，得到网格布2；
3)将网格布1和网格布2紧贴放置，固定于混凝土受拉面模具边缘处，将硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料混合后注入模具中，成型脱模后即得到自修复混凝土材料。
在本发明中，所述网格布包含玻纤网格布和/或石材网格布，优选为玻纤网格布；所述网格布的面积为0.01～2.0m2，优选为0.04～1.5m2，进一步优选为0.1～1.0m2；网眼尺寸为8mm×8mm或10mm×10mm，优选为8mm×8mm。
在本发明中，网格布能够作为定位材料将吸附有细菌芽孢的载体和细菌的营养物质定位于混凝土的受拉区，同时具有一定的韧性，能够在混凝土内部起到一定的阻裂增韧效果。
在本发明中，所述吸附材料包含硅藻土、活性炭、活性炭纤维和沸石中的一种或几种，优选为硅藻土和活性炭，进一步优选为硅藻土；所述吸附材料的比表面积为25～35m2/g，优选为28～32m2/g，进一步优选为29～31m2/g，更优选为30m2/g；粒径为5～20μm，优选为10～15μm，进一步优选为12μm。
在本发明中，吸附材料能够作为细菌的载体在混凝土内保护细菌免受挤压和恶劣环境的侵蚀。
在本发明中，所述矿化细菌芽孢溶液的浓度为2.0×109～3.0×109cells/mL，优选为2.5×109cells/mL；所述矿化细菌芽孢包含嗜碱性巴氏芽孢杆菌，所述矿化细菌芽孢优选为一种能够产脲酶的嗜碱性巴氏芽孢杆菌，能够利用周围环境中的尿素和钙离子矿化结晶产生碳酸钙晶体。
在本发明中，所述矿化细菌芽孢溶液的配制方式为：将产脲酶的嗜碱性巴氏芽孢杆菌接种于液体YE培养基中(包含15～25g/L的酵母提取物、5～15g/L的硫酸铵、15～20g/L的Tris试剂)，在温度为20～40℃、转速为200～240rpm的摇床中培养20～24h，使细菌达到生长的稳定期；然后将菌液置于转速为3800～4200rpm的离心机内离心20～40min，使细菌细胞与营养液分离；采用移液管移除上层清液，将下部细菌细胞重悬浮于8～10g/L的NaCl溶液中；采用平板计数法，控制细菌悬浮液的浓度为2.0～3.0×109cells/mL；将细菌悬浮液于25～35℃的烘箱中静置12～14d，得到矿化细菌芽孢溶液。
在本发明中，所述矿化细菌芽孢溶液的配制方式优选为：将产脲酶的巴氏芽孢杆菌接种于液体YE培养基中(包含20g/L的酵母提取物、10g/L的硫酸铵、17.5g/L的Tris试剂)，在温度为30℃、转速为220rpm的摇床中培养24h，使细菌达到生长的稳定期；然后将菌液置于转速为4000rpm的离心机内离心30min，使细菌细胞与营养液分离；采用移液管移除上层清液，将下部细菌细胞重悬浮于9g/L的NaCl溶液中；采用平板计数法，控制细菌悬浮液的浓度为2.5×109cells/mL；将细菌悬浮液于30℃的烘箱中静置14d，得到矿化细菌芽孢溶液。
在本发明中，控制网格布上矿化细菌芽孢的密度为6.0～7.0×1011cells/m2，优选为6.25×1011cells/m2。
在本发明中，步骤1)中，所述矿化细菌芽孢溶液和吸附材料的体积质量比为20～40mL：10～20g，优选为25～35mL：13～17g，进一步优选为30mL：15g。
在本发明中，步骤2)中，所述酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙、尿素、水和吸附材料的质量体积比为2.5～8g：2.0～3.0g：5～15g：5～15g：20～40mL：10～20g，优选为3～7g：2.2～2.8g：7～12g：7～12g：25～35mL：12～18g，进一步优选为5g：2.5g：10g：10g：30mL：15g。
在本发明中，所述酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙、尿素为细菌营养物质，纯度等级独立的为分析纯；其中酵母提取物和硫酸铵为细菌生长所需物质，醋酸钙和尿素为细菌矿化结晶所需的底物。
在本发明中，所述细骨料包含河砂，优选为河沙，所述细骨料的细度模数为2.3～3.0，优选为2.5～2.8；所述粗骨料包含碎石，优选为碎石，所述粗骨料的粒径为5～20mm，优选为10～15mm。
在本发明中，步骤3)中，所述硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料的质量比为5～10：2～4：10～20：20～40，优选为6～9：2.5～3.5：12～18：25～35，进一步优选为7.5：3：15：30。
在本发明中，步骤3)中，网格布1的涂布面和网格布2的涂布面紧贴放置，网格布2一侧朝向凝土受拉面模具边缘，且固定于距混凝土受拉面模具边缘2～5cm处，优选为3cm处。
本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料。
下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
(1)固着细菌芽孢网格布的制备
取矿化细菌芽孢溶液30mL，与15g硅藻土混合后充分搅拌，形成糊状的细菌芽孢硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的玻纤网格布，将得到的细菌芽孢硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有细菌芽孢的网格布1。
(2)固着营养物质网格布的制备
取酵母提取物5g、硫酸铵2.5g、醋酸钙10g、尿素10g，溶于30mL的水中，然后加入15g硅藻土，充分搅拌后得到糊状的营养物质硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的玻纤网格布，将得到的营养物质硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有营养物质的网格布2。
(3)微生物定位自修复混凝土试件的制备
制作尺寸为100mm×100mm×400mm的模具，将网格布1和网格布2紧贴后固定于模具一侧边缘2cm处。取硅酸盐水泥7kg、水3.8kg、河砂15kg、碎石22.2kg，在搅拌机内充分搅拌后装模。振捣、拆模后在标准环境中养护28天后制得尺寸为100mm×100mm×400mm的微生物定位自修复混凝土材料。
实施例2
(1)固着细菌芽孢网格布的制备
取矿化细菌芽孢溶液20mL，与10g硅藻土混合后充分搅拌，形成糊状的细菌芽孢硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的玻纤网格布，将得到的细菌芽孢硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有细菌芽孢的网格布1。
(2)固着营养物质网格布的制备
取酵母提取物3.0g、硫酸铵3.0g、醋酸钙5g、尿素15g，溶于40mL的水中，然后加入10g硅藻土，充分搅拌后得到糊状的营养物质硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的玻纤网格布，将得到的营养物质硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有营养物质的网格布2。
(3)微生物定位自修复混凝土试件的制备
制作尺寸为100mm×100mm×400mm的模具，将网格布1和网格布2紧贴后固定于模具一侧边缘3cm处。取硅酸盐水泥5kg、水2.5kg、河砂12kg、碎石25kg，在搅拌机内充分搅拌后装模。振捣、拆模后在标准环境中养护28天后制得尺寸为100mm×100mm×400mm的微生物定位自修复混凝土材料。
实施例3
(1)固着细菌芽孢网格布的制备
取矿化细菌芽孢溶液40mL，与15g硅藻土混合后充分搅拌，形成糊状的细菌芽孢硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的石材网格布，将得到的细菌芽孢硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有细菌芽孢的网格布1。
(2)固着营养物质网格布的制备
取酵母提取物5.0g、硫酸铵2.0g、醋酸钙10g、尿素12g，溶于30mL的水中，然后加入15g硅藻土，充分搅拌后得到糊状的营养物质硅藻土混合液。裁取尺寸为100mm×400mm的石材网格布，将得到的营养物质硅藻土混合液均匀地涂抹于网格布上，在阴凉处晾干，得到固着有营养物质的网格布2。
(3)微生物定位自修复混凝土试件的制备
制作尺寸为100mm×100mm×400mm的模具，将网格布1和网格布2紧贴后固定于模具一侧边缘4cm处。取硅酸盐水泥8kg、水4kg、河砂11kg、碎石23kg，在搅拌机内充分搅拌后装模。振捣、拆模后在标准环境中养护28天后制得尺寸为100mm×100mm×400mm的微生物定位自修复混凝土材料。
对比例1
普通混凝土试件的制备，具体方法为：
制作与实施例1相同的尺寸为100mm×100mm×400mm的模具，不设置网格布。取硅酸盐水泥7kg、水3.8kg、河砂15kg、碎石22.2kg，在搅拌机内充分搅拌后装模。振捣、拆模后在标准环境中养护28天后制得尺寸为100mm×100mm×400mm的普通混凝土材料。
对比例2
普通微生物自修复混凝土的制备，具体步骤为：
(1)将300mL矿化细菌芽孢溶液与150g硅藻土混合，充分搅拌后在阴凉处晾至饱和面干状态，使细菌芽孢被充分吸收固载。
(2)取21g酵母提取物、10.5g硫酸铵、105g醋酸钙、105g尿素，溶于3.8kg水中。准备硅酸盐水泥7kg、河砂15kg、碎石22.2kg，与溶有营养物质的水一起在搅拌机内充分搅拌。制作与实施例1相同的尺寸为100mm×100mm×400mm的模具，不设置网格布。装料、振捣、拆模后在标准环境中养护28天后制得尺寸为100mm×100mm×400mm的普通微生物自修复混凝土材料。
对实施例1～3和对比例1～2制得的混凝土材料进行三点抗弯性能测试，试验方法如图3所示。抗弯试验完成后，在下部混凝土的受拉面产生了一条裂缝，将开裂后的混凝土在水下养护14d，记录混凝土裂缝宽度的变化。得到的混凝土特性如表1所示。
表1混凝土特性表
Figure BDA0003062960910000081
Figure BDA0003062960910000091
由以上实施例可知，本发明提供了一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土及其制备方法。由表1可以看到，本发明实施例1～3制得的微生物定位自修复混凝土的抗弯强度高于对比例1普通混凝土和对比例2普通微生物自修复混凝土，说明本发明能够提高混凝土的本身的抗裂性能。由混凝土裂缝自修复剂的效果来看，本发明实施例1能够在14d内修复宽度为0.38mm的裂缝，自修复能力与对比例2普通微生物自修复混凝土相当。从材料用量上来看，本发明实施例1制得的微生物定位自修复混凝土所采用的自修复剂用量远小于对比例2所示的普通微生物自修复混凝土，说明本发明能够节约微生物自修复剂材料，降低制作成本。综上所述，本发明实施例1制得的微生物定位自修复混凝土能够在保证混凝土裂缝修复效果的同时提高混凝土受拉面的抗裂特性，而且能够节约微生物自修复剂的用量，从而降低微生物自修复混凝土制作成本。
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视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种适用于结构受拉区的微生物定位自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将矿化细菌芽孢溶液与吸附材料混合后涂布于网格布上，得到网格布1；
2)将酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙和尿素混合于水中，之后加入吸附材料得到糊状混合液，将糊状混合液涂布于网格布上，得到网格布2；
3)将网格布1和网格布2紧贴放置，固定于混凝土受拉面模具边缘处，将硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料混合后注入模具中，成型脱模后即得到自修复混凝土材料。
2.根据权利要求1所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述网格布包含玻纤网格布和/或石材网格布；所述网格布的面积为0.01～2.0m2，网眼尺寸为8mm×8mm或10mm×10mm。
3.根据权利要求2所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述吸附材料包含硅藻土、活性炭、活性炭纤维和沸石中的一种或几种；所述吸附材料的比表面积为25～35m2/g，粒径为5～20μm。
4.根据权利要求3所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述矿化细菌芽孢溶液的浓度为2.0×109～3.0×109cells/mL；所述矿化细菌芽孢包含嗜碱性巴氏芽孢杆菌。
5.根据权利要求4所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤1)中，所述矿化细菌芽孢溶液和吸附材料的体积质量比为20～40mL：10～20g。
6.根据权利要求5所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤2)中，所述酵母提取物、硫酸铵、醋酸钙、尿素、水和吸附材料的质量体积比为2.5～8g：2.0～3.0g：5～15g：5～15g：20～40mL：10～20g。
7.根据权利要求1～6任一项所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，所述细骨料包含河砂，所述细骨料的细度模数为2.3～3.0；所述粗骨料包含碎石，所述粗骨料的粒径为5～20mm。
8.根据权利要求7所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，所述硅酸盐水泥、水、细骨料和粗骨料的质量比为5～10：2～4：10～20：20～40。
9.根据权利要求8所述的自修复混凝土材料的制备方法，其特征在于，步骤3)中，网格布1的涂布面和网格布2的涂布面紧贴放置，网格布2一侧朝向凝土受拉面模具边缘，且固定于距混凝土受拉面模具边缘2～5cm处。
10.一种用权利要求1～9任一项所述制备方法得到的微生物定位自修复混凝土材料。
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