CN113216682A

CN113216682A - 微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法

Info

Publication number: CN113216682A
Application number: CN202110553116.8A
Authority: CN
Inventors: 成亮; 陆春华; 郑玉龙
Original assignee: Jiangsu University
Current assignee: Danyang Jilingjiagu New Building Materials Co ltd; Jiangsu University
Priority date: 2021-05-20
Filing date: 2021-05-20
Publication date: 2021-08-06
Anticipated expiration: 2041-05-20
Also published as: AU2021103785A4; CN113216682B

Abstract

本发明微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，属于土木建筑工程中建筑材料表面裂缝修复技术领域，具体涉及一种利用多孔保水介质增强微生物矿化注浆材料来高效原位修复建筑材料立面表面裂缝的技术。该技术成本低廉，工艺简单，修补材料与混凝土基材结合紧密，且可渗入微小裂缝实现修补效果。

Description

微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法

技术领域

本发明涉及土木建筑工程中建筑材料立面裂缝修复技术领域，具体涉及一种利用多孔保水介质增强微生物矿化注浆材料来修复混凝土建筑材料立面的表面裂缝技术。

背景技术

混凝土结构因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、耐火性能好、不易风化等优势，成为了当今世界建筑结构中使用最广泛使用的建筑材料，但其存在抗拉能力弱、脆性大、容易开裂等缺点。由于建筑暴露于室外，其受到的一系列物理、化学及生物过程会使混凝土丧失凝聚力，产生基体裂纹。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土结构均带有裂缝。虽然一开始结构表面裂缝很小，肉眼很难察觉（<0.05mm），但在长期荷载和环境侵蚀的共同作用下，裂缝孔道的存在和扩展加速了混凝土内部的腐蚀，导致钢筋提前锈蚀，保护层膨胀甚至剥落，大大降低了结构的使用寿命，严重时甚至会发生较大的垮塌事故。因此，修复混凝土建筑材料的表面微裂缝问题已成为建筑工程领域中最受关注的研究课题之一。特别是最近20年来，泵送商品混凝土获得广泛应用后，裂缝产生的问题日渐突出。

目前，混凝土材料表面裂缝，特别是微裂缝的修复方法有很多，但效果都不太理想。主要原因有以下几个方面：现有的修补材料多是水泥或化学试剂灌浆修复、表面涂刷憎水有机材料修复、裂缝填充环氧砂浆等，这些修补措施具有施工工艺复杂、成本高、污染环境，易老化等问题。此外由于这种修复材料与无机混凝土基材的胶结力差，且膨胀系数不一致，导致修复材料与建筑材料之间容易脱落。

微生物矿化注浆材料修复混凝土表面裂缝（约0.1mm-5mm宽度）是一种新型的、环保的裂缝修复方法，其原理是利用微生物诱导碳酸盐沉淀（MICP），修补墙体等建筑裂缝，从而提高混凝土强度和耐久性、提高砖的耐久性、提高土的强度和提高砂的抗渗性。相较于目前市面所使用的有机修复材料，微生物诱导产生的裂缝修补材料（CaCO₃）与混凝土基材的物性一致，使得修复后的混凝土结构不宜开裂。此外，微生物注浆材料为液体，流动性好，容易渗入微裂缝的表面，从而在微缝隙中进行微生物矿化反应，形成矿化胶凝材料。已有研究表明，修复材料本身与混凝土基材结合力较好，修复后的混凝土材料的耐久性有了很大的提高。

微生物矿化注浆材料修复混凝土裂缝技术目前主要集中结构内部裂缝灌浆修复和表面裂缝矿化修复两种方法，但现有报道均未涉及立面结构的修复方法。微生物裂缝修复需要有足够的矿化液存留在裂缝中以进行反应。立面表面的裂缝由于重力作用，矿化液难以停留在裂缝中，即使采用反复喷洒的方法，其效率很低，矿化液损失较多。

申请号为200810105947.3，发明名称为“一种微生物成因水泥或混凝土及其生产方法和应用”的中国专利，公开了利用能产生脲酶的巴氏芽孢杆菌菌液和含有尿素和矿物钙盐的配合液混合，在特定条件下反应获得微生物成因水泥或混凝土的方法，但该文献未公开混凝土建筑材料立面表面裂缝的具体修补方法；申请号为 2O111O412162.2，发明名称为“微生物灌浆封堵地下室混凝土结构横向裂缝的方法”，及申请号为201110413188.9，发明名称为“微生物灌浆封堵地下室混凝土结构竖向裂缝的方法”的2件中国专利公开了利用了微生物注浆的方法对结构内部裂缝进行了灌浆修复，同时公开号为CN104196131A，发明名称为“微生物沉积碳酸钙封堵混凝土现浇板楼板或底板裂缝方法”的中国专利提出了利用微生物沉积碳酸钙封堵混凝土现浇楼板或地板贯穿裂缝的方法，但该三件专利同样未公开混凝土建筑材料立面表面裂缝，特别是表面非贯穿裂缝的具体修复方法；公开号为CN102071710A，发明名称为“位于土中的混凝土结构裂缝的一种封堵修复方法”的中国专利公开针对位于土中的混凝土结构裂缝的封堵修复方法，通过在裂缝的上游持续灌入注浆液达到裂缝修复目的。以上方法主要用于结构内部裂缝，通过钻孔和持续注浆的方法达到裂缝的修复，然而这种方法无法用于混凝土建筑材料立面表面裂缝。

此外，申请号为201410663017.5,发明名称为“水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂及其应用”的中国专利公开了将微生物与辅助组分一同混合于水泥基体中，可保证任意处的裂缝均能得到及时有效的修复的技术。然而该文献公开的微生物自修复效果强烈依赖环境条件如湿度，氧气传输，以及裂缝处微生物的微生物浓度等。因此目前建筑材料表面微生物矿化修复主要还是采用浸泡和注浆的方法。

故修复混凝土建筑材料表面的竖向裂缝方法的突破成为了阻碍微生物矿化裂缝修复技术推广的瓶颈。

发明内容

为解决现有技术修复效果不理想、老化问题严重、成本高昂、污染环境，胶结力差等不足，本发明的目的在于提供一种价格低廉、工艺简单、修复效果好、绿色环保的混凝土裂缝修复技术，特别是解决微生物修复建筑材料立面表面裂缝（即表面竖向裂缝）这一瓶颈问题。

为了实现上述目标，本申请提供了一种微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其具体修复步骤如下：

1）将矿化液通过注射器注射到结构材料的竖向裂缝（即里面表面裂缝）中，备用；所述矿化液为含有脲酶的溶液，包括具有脲酶活性的矿化细菌溶液或具有矿化作用的生物酶溶液；该步骤为后续的修复矿化反应提供生物矿化催化剂；

2）将矿化胶结液注射到多孔保水材料中，获得矿化保水材料，备用；所述矿化胶结液包括含有尿素和矿化金属离子的混合溶液；

3）将矿化保水材料紧贴在结构材料的竖向裂缝表面，矿化保水材料中的矿化胶结液体通过扩散作用渗透到裂缝中，与矿化液反应形成矿化胶凝材料，进而修复裂缝。

本申请立面裂缝修复示意图如图6-图8所示，其中，1、结构材料；2、裂缝；3、矿化保水材料。

进一步，上述具有脲酶活性的矿化微生物优选巴式芽孢杆菌、变形杆菌（Proteusvulgaris），唾液链球菌（streptococcus salivarius）等微生物修复中常见的菌株。

进一步，上述具有矿化作用的生物酶优选脲酶，包括植物脲酶或微生物脲酶。

进一步，上述矿化液中含有的脲酶活性为0.1-100 u/mL；其中u为脲酶活性单位：指1分钟分解1微摩尔尿素所需要的脲酶活性。

进一步，上述矿化胶结液中，尿素和金属矿化离子浓度在0.05摩尔/升-3摩尔/升之间，尿素和金属矿化离子含量摩尔比为：1:0.5～2（优选1:1）；所述金属矿化离子包括钙离子、镁离子、铝离子、铁离子至少一种。

本申请中，所述“结构材料”包括木材、混凝土、水泥砂浆、陶瓷、砖、石质材料的至少一种；所述石质材料包括石灰石、砂岩、砾石、花岗岩中的至少一种。

进一步，本申请所述“多孔保水材料”包括水凝胶、多孔泡沫、海绵等能够吸收溶液并防止溶液外渗的多孔材料；步骤1）所述“矿化胶结液注射到多孔保水材料”是指将上述矿化胶结液以溶液形式添加到多孔保水材料中，并使矿化胶结液达到饱和状态。

本申请修复环境温度为5-60℃，优选15-40℃。

本申请针对目前微生物结构材料立面裂缝修复，在竖向存在中、下部密实，上部疏松，以及在水平向中央沉积密实，两端不密实等问题，而提供的多孔保水介质增强微生物矿化反应方式，保障微生物注浆技术在修复建筑材料表面竖向微裂缝中充分发挥自身优点，与现有技术相比，本申请的有益之处在于：

（1）解决了微生物矿化修复立面裂缝时，矿化细菌溶液或者具有矿化作用的生物酶溶液，以及矿化胶结液易流失的难题。

（2）打破了传统微生物矿化修复裂缝时，需要反复补充（如喷洒、灌浆、浸泡）矿化胶结液的问题，只需一次性保水材料吸满矿化胶结液，再通过多孔材料与裂缝处的紧密贴合，使得矿化胶结液的主要成分通过扩散作用持续作用于裂缝处。

（3）解决了修复材料与混凝土基材结合差的问题：本方法中微生物诱导产生的碳酸钙裂缝修补材料与混凝土基材物性一致，并且微生物矿化产生的矿物与无机非金属材料有天然的相容性，可以有效地与水泥砂浆紧密结合。同时，通过精确控制多孔保水材料内所吸收的矿化胶结液浓度、以及通过精确控制将多孔保水材料贴附于裂缝处，使得矿化胶结液得以精确作用于裂缝处，保证修复效果。

（4）解决了微小裂缝（0.05-5mm 宽度）修补材料不易渗入的问题：本方法微生物注浆材料为液体，容易渗入较小的表面微裂缝，同时，矿化胶结液以离子扩散的形式进入微小裂缝，从而在微缝隙中进行微生物矿化反应，行成矿化胶凝材料。

（5）解决了修补材料污染环境以及修补材料昂贵的问题：本方法选取的微生物都是环境中已经存在的菌种，其成本相对价格低廉，并且其菌液制剂是环境友好型，不会对环境造成破坏。

附图说明

图1为实施例1编号分别为4、7、11号混凝土试件修复前后的对比照片，其中A组为修复前，B组为修复后照片。

图2为实施例1聚氨酯海绵紧贴混凝土试件裂缝处的照片，其中A为若干实验组照片，B为其中一个试件的照片。

图3为修复前后氯离子抗渗试验结果照片。

图4为实施例2水泥挡土墙立面裂缝照片。

图5为水泥挡土墙裂缝修复前后对比照片。

图6为本发明的建筑材料表面竖向微裂缝的修复示意图；

图7为本发明的建筑材料表面竖向微裂缝的正向示意图；

图8为本发明的建筑材料表面竖向微裂缝的侧向示意图；

图中：1、混凝土建筑材料；2、裂缝；3、多孔保水材料。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作具体的介绍。

实施例中所使用的巴式芽孢杆菌（Sporosarcina pasteurii）为江苏大学实验室保存，该菌株为微生物修复中的常规菌株，如文献“张继生, 刘伟, 管大为,周应征 ,成亮#, 郑金海 2020. 不同细菌注浆方法对 MICP一相注工艺的影响,河海大学学报（自然科学版），48（3）95-103.”

无菌好氧生长培养基配方为：酵母浸粉20g/L,NH₄Cl15g/L,NiCl₂ 0.1mmol/L,pH9.25。

实施例1

本实施例提供的建筑材料（混凝土）表面竖向微裂缝修复方法，具体步骤如下：

1、制备矿化液：

将矿化细菌巴式芽孢杆菌接种于无菌好氧生长培养基于28℃培养24h后，

在培养生长的稳定期收集，其脲酶活性为20u/ml。

2、制备矿化胶结液

将60g尿素和111g无水氯化钙溶于1L的水中，制备的矿化胶结液含有尿素1摩尔和钙离子1摩尔（在具体实施中，尿素和金属矿化离子浓度在0.05摩尔/升-3摩尔/升范围内，且尿素和离子含量摩尔比为：1:2～2:1之间，均可实现发明之目的）。

3、制备开裂混凝土试件：

将若干养护好的圆柱体混凝土试件表面清洗干净并晾干，在试件的周围缠绕三圈胶带，防止在压裂过程中完全破坏。适当控制压力机的加载速度0.5~0.8MPa/s，并通过开裂位移装置LVDT控制裂缝的宽度，记录圆柱体试件表面的所有裂缝宽度，并分别进行编号。本实施例中，试件立面裂缝宽度约为0.5mm，长度约为100mm。

4、用针管吸取20ml步骤1制备的矿化液，分别注入步骤3获得试件的裂缝中，直到裂缝处填满细菌液体。

5、分别选取10cm*1cm*1cm的聚氨酯海绵，吸取矿化胶结液直到饱和（即获得矿化保水材料），本实施例中，每块海绵吸取量大约为8ml。

6、利用封箱胶带将聚氨酯海绵分别紧贴在混凝土试件修复面的裂缝处，从下至上，从左至右将含有矿化胶结液的海绵（即矿化保水材料）和试件固定（如图2所示），同时尽量保证不挤压海绵中的矿化胶结液，通过扩散方式使矿化胶结液渗透到混凝土试件的裂缝孔道，与先期加入的微生物菌液进行微生物的矿化反应，有效地修复混凝土试件的裂缝。

7、48小时后，通过测量海绵中溶液增加的NH₄ ⁺的量确定添加的尿素和氯化钙已完全消耗，此时通过表面观测发现裂缝已经完全封堵住，在具体实施中，该修复时间约为48-72小时。

图1为本实施例编号分别为4、7、11号混凝土试件修复前后的对比照片，其中A组为修复前，B组为修复后照片。

图2为本实施例步骤6中以胶带将聚氨酯海绵分别紧贴在混凝土试件裂缝处的照片，其中A为若干实验组照片，B为A图其中一个试件的照片。

为了进一步评价本实施例裂缝修复效果，对修复后的试件立面裂缝进行氯离子抗渗试验。实验结果表明，经过修复的裂缝，氯离子抗渗性提高了90%以上。如图3所示，其中A为修复前，B为修复后，图3中箭头所示区域为氯离子侵蚀区域。可以看出经过微生物矿化修复后，氯离子侵蚀区域明显减少，证明了本实施例对裂缝修复的有效性。

实施例2

本实施例以现场水泥挡土墙裂缝为修补对象，采用同实例1相同组分的矿化细菌溶液和矿化胶结液，修复步骤如下；

在实际现场水泥挡土墙立面选取一条长约400mm，宽为0.4-1.5mm，深度约50mm的裂缝（如图4所示，图4箭头处为挡土墙立面排水管，即裂缝位置），用针管吸取50ml的细菌液，分段注入上述裂缝中，直到裂缝处填满细菌液体。选取4块10cm*1cm*1cm的聚氨酯海绵，吸取矿化胶结液直到饱和。每块海绵吸取量大约为8ml。利用封箱胶带将4块聚氨酯海绵以此紧贴在水泥挡土墙裂缝处，从下至上，从左至右将海绵和试件固定，同时尽量保证不挤压海绵中的矿化胶结液。通过扩散方式使矿化胶结液渗透到混凝土试件的裂缝孔道，与先期加入的微生物菌液进行微生物的矿化反应，有效地修复混凝土试件的裂缝。

经过4天后，挤出海绵体内的矿化胶结液，同时加入新的矿化胶结液，继续等待4天。修复完后，裂缝表面有明显的微生物矿化材料，裂缝修复面积占原裂缝面积85%以上，如图5所示，图5中，A为修复后的裂缝，B为同一水泥挡土墙未修复的裂缝。修复后进行渗透性检测，降低了95%，证明裂缝被有效封堵。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，上述实施例不以任何形式限制本发明，凡采用等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案，均落在本申请的保护范围内。

Claims

1.一种微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，具体步骤如下：

1)将矿化液加入结构材料的裂缝中；所述矿化液为含有脲酶的溶液；

2)将矿化胶结液加入多孔保水材料至饱和，获得矿化保水材料，备用；所述矿化胶结液为含有尿素和矿化金属离子的混合溶液；

3)将矿化保水材料紧贴在结构材料的裂缝表面，矿化保水材料中的矿化胶结液渗透到裂缝中，与矿化液反应，即完成裂缝的原位修补。

2.如权利要求1所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，步骤1）所述含有脲酶的溶液包括具有脲酶活性的矿化细菌溶液或生物酶溶液；所述具有脲酶活性的矿化细菌溶液包括巴式芽孢杆菌溶液、变形杆菌溶液、唾液链球菌溶液中的至少一种；所述生物酶溶液包括植物脲酶或微生物脲酶中的至少一种。

3.如权利要求1所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述金属矿化离子包括钙离子、镁离子、铝离子、铁离子至少一种。

4.如权利要求1所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述多孔保水材料包括水凝胶、多孔泡沫、海绵中的至少一种。

5.如权利要求2所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述脲酶的溶液中脲酶活性为0.1-100 u/m。

6.如权利要求3所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述矿化胶结液中，尿素的浓度为0.05-3mol/L，尿素和金属矿化离子的摩尔比为：1:2～2:1。

7.如权利要求1-6任一所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述结构材料的裂缝是指结构材料的竖向裂缝。

8.如权利要求7所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述结构材料包括木材、混凝土、水泥砂浆、陶瓷、砖、石质材料中的至少一种。

9.如权利要求8所述微生物诱导碳酸钙沉淀原位修补立面表面裂缝的方法，其特征在于，所述石质材料包括石灰石、砂岩、砾石、花岗岩中的至少一种。