CN113929397A - 一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土及其制备方法，所述混凝土包括如下重量份数的原料：硅酸盐水泥300‑500份、硅灰或粉煤灰50‑65份、细骨料450‑650份、粗骨料900‑1250份、减水剂10‑15份、水250‑400份、改性膨胀珍珠岩5‑10份、膨胀珍珠轻石10‑50份。本发明微生物混凝土具有良好的抗渗性以及抗冻融的能力，解决了长期冻融循环下，混凝土抗渗能力下降且易产生开裂甚至冻胀的问题，其不仅能用于建筑建造，还能用于建筑或者其它基础设施表面的冻胀修复。
Description
技术领域
本发明涉及混凝土材料技术领域，尤其涉及一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土及其制备方法。
背景技术
混凝土作为当今建筑领域用量最大的材料，其抗渗性以及抗冻融性一直是人们关注的焦点。在北方寒冷及严寒地区的城市，混凝土尤其是一些低标号混凝土的渗流及冻胀问题给人们造成了很大的经济损失。在混凝土固化过程中，水分被水泥水化利用或是蒸发后会在内部形成大量毛细孔洞；在加水拌制过程中，因机械搅拌使其中裹入空气，也会在混凝土中留下孔隙。这些孔隙在水流渗透及冻融循环的作用下，会造成表面酥松膨胀从而导致承载力降低等问题。
提高混凝土的抗渗以及抗冻融性能现有技术一方面通过优化骨料级配，控制砂率，降低水灰比，使得混凝土内部密实度得以提高。这样提高了施工难度，对施工质量也提出了更高的要求。另一方面通过混凝土外加剂如引气剂的应用，在混凝土内部形成闭合的微孔，减少连通孔以提高抗渗及抗冻融性能。然而采用这种方式使得混凝土在气泡区域的水化反应不完全，会对混凝土的力学性能造成较大影响。
当出现渗流及冻胀破坏时，通常采用有机、无机砂浆进行表面被动修复。这类修复方式消耗大量的人力物力，并且混凝土内部一些微裂缝很难被发现修复，探求新型主动修复方式迫在眉睫。
发明内容
本发明的目的在于基于现有技术的不足，提供一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土及其制备方法，将一种具有矿化沉积功能的微生物菌种固载于珍珠岩上，并进行包裹处理后加入混凝土中，利用微生物的矿化功能在混凝土的裂缝孕育期得以作用，从而避免裂缝的进一步劣化，使得混凝土内部一些难以被发现的缺陷得以修复。通过在原有配合比基础上外掺的方式，将改性膨胀珍珠岩加入到混凝土内部，在不降低混凝土力学性能且不增加额外施工负担的同时，提高混凝土的抗渗抗冻融的性质。本发明制备的混凝土由于添加了膨胀珍珠岩以及膨胀珍珠轻石，还兼具保温隔热的功能，符合当代人们的需求。
为实现上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现：
本发明提供了一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其包括如下重量份数的原料：硅酸盐水泥300-500份、硅灰或粉煤灰50-65份、细骨料450-650份、粗骨料900-1250份、减水剂10-15份、水250-400份、改性膨胀珍珠岩5-10份、膨胀珍珠轻石10-50份。
进一步，所述硅酸盐水泥为P42.5级普通硅酸盐水泥；硅灰平均粒径为0.1μm-0.5μm；减水剂为聚羧酸减水剂；细骨料为天然河砂，天然河砂为中砂，细度模数为2.3-3.0，使用前通过5mm筛网，以避免河砂中的杂质影响水泥的水化作用；粗骨料为天然石子，粒径为3-20mm；改性膨胀珍珠岩使用的膨胀珍珠岩原料粒径为30-50目，质量吸水率约为400％-450％，导热系数为0.03W/(m*k)-0.05W/(m*k)，利用膨胀珍珠岩的高吸水率，将微生物固载于内部，同时在混凝土搅拌及固化过程中对微生物提供一定的保护；膨胀珍珠轻石为大颗粒膨胀珍珠岩，粒径为10mm-30mm。
进一步，所述改性膨胀珍珠岩的制备方法如下：
步骤1：采用真空浸渍吸附法，将膨胀珍珠岩置于真空负压筒中，在负压-0.2Mpa下，将微生物菌液饱和吸附在膨胀珍珠岩的内部，于60-70℃下烘干至恒重，得到固载微生物的膨胀珍珠岩；
步骤2：在固载微生物的膨胀珍珠岩表面均匀喷涂由营养液、固化剂和水混合而成的营养液保护层，待表面营养物质凝结，得到改性膨胀珍珠岩。
进一步，所述步骤1中微生物菌液与膨胀珍珠岩的重量份数比为2:1。
进一步，所述步骤1中的微生物为一种基于尿素分解的产脲酶菌种或一种涉及有机碳向无机碳转化的微生物菌种。产脲酶菌种是指一种能够代谢生成脲酶，分解尿素生成碳酸盐等具有胶结性材料的菌种。涉及有机碳向无机碳转化的菌种是其指在代谢过程中将有机酸钙(如乳酸钙)转化为碳酸钙以修复内部缺陷。
进一步，所述产脲酶菌种尤指一种KJ01菌种(已于2018年3月26日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.15516)，将KJ01菌种固载于膨胀珍珠岩上并加入混凝土中，使得其在混凝土的裂缝孕育期得以作用，避免了混凝土的进一步劣化。其次，当混凝土受到作用产生裂缝时，微生物也能矿化沉积产生作用，对裂缝起到了一定的修复作用。
所述涉及有机碳向无机碳转化的微生物菌种尤指一种科氏芽孢杆菌，该菌种能够利用营养液中的乳酸钙进行代谢将其转化为碳酸钙以修复混凝土内部的缺陷。
进一步，当微生物菌种为KJ01菌种时，营养液的组分及含量为：蛋白胨0.7-1.5份、尿素10-12份、硝酸钙10-15份、氯化钠0.5-0.8份、肌苷1-2份、磷酸二氢钠15-20份、水100-150份。在上述营养液中，蛋白胨和尿素为微生物KJ01生长所必须的营养物质；氯化钠为微生物KJ01细胞提供合适的渗透压；肌苷和磷酸二氢钠为微生物芽孢的萌发因子，促进微生物的萌发与复苏；硝酸钙为四水合硝酸钙，为微生物KJ01的矿化沉积提供合适浓度的钙源。
当微生物菌种为科氏芽孢杆菌时，营养液的组分及含量为：牛肉膏0.6-0.8份、蛋白胨0.7-1.0份、乳酸钙10-15份、肌苷1-2份、磷酸二氢钠15-20份、水100-150份。在上述营养液中，牛肉膏和蛋白胨为微生物科氏芽孢杆菌生长所必须的营养物质；乳酸钙为五水合乳酸钙，为科氏芽孢杆菌的矿化沉积提供合适浓度的有机碳和钙源。
进一步，所述步骤2中固化剂的组分及含量为：氧化镁150-200份、磷酸二氢钾70-80份、无水乙酸钠3-5份。氧化镁和磷酸二氢钾为磷酸钾镁水泥的原料，利用磷酸钾镁水泥快硬早强的特点，将营养物质固载其中包裹在膨胀珍珠岩表面。无水乙酸钠为磷酸钾镁水泥缓凝剂，调控磷酸钾镁水泥凝结时间约为30min左右，从而便于喷涂施工。
进一步，所述步骤2中固化剂的组分及含量为：石膏200-250份、柠檬酸2-3份。利用石膏快硬弱酸性的特点，将营养物质固载其中，同时利用柠檬酸调整凝结时间约30min，便于喷涂施工。
本发明还提供了上述高抗渗抗冻融的微生物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将所述重量份数的改性膨胀珍珠岩和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌预湿；
步骤2：再将所述重量份数的硅酸盐水泥、硅灰或粉煤灰、细骨料、粗骨料、膨胀珍珠轻石和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌均匀；
步骤3：然后将所述重量份数的减水剂和剩余重量份数的水投入搅拌机，搅拌均匀；
步骤4：最后将混合后的材料倒入模具养护成形，即得所述微生物混凝土。
本发明还提供了上述微生物混凝土可应用于各类地下设施的修建如：地下室，地铁，道路桥梁的地基基础等；可应用于各类水利设施的修建如：堤坝，水库等；可应用于沿海等潮湿环境下的建筑修建等。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)传统混凝土，尤其是一些低标号的混凝土，由于混凝土本身的密实性较差，内部有很多连通性的孔洞，混凝土抗渗性较差。当水份进入混凝土内部并经过多次冻融循环，易出现冻胀等现象。本发明将矿化微生物固载于珍珠岩内部，使得微生物在混凝土的裂缝孕育期得以作用，避免了混凝土的进一步劣化，使得混凝土内部一些难以被发现的缺陷得以修复。
(2)该发明采用在原有配合比基础上外掺的方式，将改性膨胀珍珠岩加入到混凝土内部，在不降低混凝土力学性能且不增加额外施工负担的同时，提高混凝土的抗渗抗冻融的性质。
(3)无机材料膨胀珍珠岩以及膨胀珍珠轻石的加入，使得混凝土保温性能提升的同时，降低了其密度，降低了建筑的自重，起到了抗震的作用。
(4)对于已发生冻胀破坏的混凝土，本发明也可以起到修复的作用。首先将其表面被破坏的部分(一般为表面20mm-30mm)去除，而后在表面利用发明内容重新浇筑一层新的抗渗抗冻融的微生物混凝土。
具体实施方式
以下所述实例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但并不限制本发明专利的保护范围，凡采用等同替换或等效变换的形式所获得的技术方案，均应落在本发明的保护范围之内。
实施例1
一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，由下列重量份数的原料制成：硅酸盐水泥300份、硅灰50份、细骨料500份、粗骨料1000份、减水剂12份、水300份、改性膨胀珍珠岩10份、膨胀珍珠轻石20份。
其中硅酸盐水泥为P42.5级普通硅酸盐水泥；硅灰平均粒径为0.1μm-0.5μm；细骨料为天然河砂，天然河砂通过5mm筛网去除杂质；粗骨料为天然石子，粒径为3-20mm；减水剂为聚羧酸减水剂；改性膨胀珍珠岩粒径为30-50目，质量吸水率约为400％-450％，导热系数为0.03W/(m*k)-0.05W/(m*k)；膨胀珍珠轻石粒径为10mm-30mm。
改性膨胀珍珠岩的制备方法如下：
步骤1：采用真空浸渍吸附法，将膨胀珍珠岩置于真空负压筒中，在负压-0.2Mpa下，将80份科氏芽孢杆菌微生物菌液吸附40份在膨胀珍珠岩的表面，于60℃下烘干至恒重，得到固载微生物的膨胀珍珠岩；
步骤2：将牛肉膏0.8份、蛋白胨1.0份、乳酸钙15份、肌苷2份、磷酸二氢钠20份均匀搅拌溶于150份水制备得到营养液。
步骤3：将营养液均匀溶解于氧化镁180份、磷酸二氢钾70份、无水乙酸钠3份中，搅拌均匀后喷涂在固载微生物的膨胀珍珠岩表面，待营养保护层凝结后，得到改性膨胀珍珠岩。
上述高抗渗抗冻融的微生物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将所述重量份数的改性膨胀珍珠岩和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌30s；
步骤2：再将所述重量份数的硅酸盐水泥、硅灰、细骨料、粗骨料、膨胀珍珠轻石和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌2min；
步骤3：然后将所述重量份数的减水剂和剩余重量份数的水投入搅拌机，搅拌3min；
步骤4：最后将混合后的的材料倒入模具养护成形，即得所述微生物混凝土。
实施例2
一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，由下列重量份数的原料制成：硅酸盐水泥400份、硅灰65份、细骨料450份、粗骨料900份、减水剂10份、水250份、改性膨胀珍珠岩5份、膨胀珍珠轻石50份。
其中硅酸盐水泥为P42.5级普通硅酸盐水泥；硅灰平均粒径为0.1μm-0.5μm；细骨料为天然河砂，天然河砂通过5mm筛网去除杂质；粗骨料为天然石子，粒径为3-20mm；减水剂为聚羧酸减水剂；改性膨胀珍珠岩粒径为30-50目，质量吸水率约为400％-450％，导热系数为0.03W/(m*k)-0.05W/(m*k)；膨胀珍珠轻石粒径为10mm-30mm。
改性膨胀珍珠岩的制备方法如下：
步骤1：采用真空浸渍吸附法，将膨胀珍珠岩置于真空负压筒中，在负压-0.2Mpa下，将80份KJ01微生物菌液吸附在40份膨胀珍珠岩的表面，于70℃下烘干至恒重，得到固载微生物的膨胀珍珠岩；
步骤2：将蛋白胨1.2份、尿素10份、硝酸钙12份、氯化钠0.8份、肌苷1.5份、磷酸二氢钠17份均匀搅拌溶于150份水制备得到营养液。
步骤3：将营养液均匀溶解于石膏200份、柠檬酸3份,搅拌均匀后喷涂在固载微生物的膨胀珍珠岩表面，待营养保护层凝结后，得到改性膨胀珍珠岩。
上述高抗渗抗冻融的微生物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将所述重量份数的改性膨胀珍珠岩和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌30s；
步骤2：再将所述重量份数的硅酸盐水泥、硅灰、细骨料、粗骨料、膨胀珍珠轻石和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌2min；
步骤3：然后将所述重量份数的减水剂和剩余重量份数的水投入搅拌机，搅拌3min；
步骤4：最后将混合后的的材料倒入模具养护成形，即得所述微生物混凝土。
实施例3
一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，由下列重量份数的原料制成：硅酸盐水泥500份、粉煤灰60份、细骨料650份、粗骨料1250份、减水剂15份、水400份、改性膨胀珍珠岩8份、膨胀珍珠轻石10份。
其中硅酸盐水泥为P42.5级普通硅酸盐水泥；细骨料为天然河砂，天然河砂通过5mm筛网去除杂质；粗骨料为天然石子，粒径为3-20mm；减水剂为聚羧酸减水剂；改性膨胀珍珠岩粒径为30-50目，质量吸水率约为400％-450％，导热系数为0.03W/(m*k)-0.05W/(m*k)；膨胀珍珠轻石粒径为10mm-30mm。
改性膨胀珍珠岩的制备方法如下：
步骤1：采用真空浸渍吸附法，将膨胀珍珠岩置于真空负压筒中，在负压-0.2Mpa下，将80份KJ01微生物菌液吸附在40份膨胀珍珠岩的表面，置于65℃下烘干至恒重，得到固载微生物的膨胀珍珠岩；
步骤2：将蛋白胨1.5份、尿素12份、硝酸钙15份、氯化钠0.5份、肌苷1份、磷酸二氢钠20份均匀搅拌溶于100份水制备得到营养液。
步骤3：将营养液均匀溶解于氧化镁150份、磷酸二氢钾75份、无水乙酸钠4份,搅拌均匀后喷涂在固载微生物的膨胀珍珠岩表面，待营养保护层凝结后，得到改性膨胀珍珠岩。
上述高抗渗抗冻融的微生物混凝土的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将所述重量份数的改性膨胀珍珠岩和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌30s；
步骤2：再将所述重量份数的硅酸盐水泥、粉煤灰、粗骨料、细骨料、膨胀珍珠轻石和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌2min；
步骤3：然后将所述重量份数的减水剂和剩余重量份数的水投入搅拌机，搅拌3min；
步骤4：最后将混合后的的材料倒入模具养护成形，即得所述微生物混凝土。
实施例4
与实施例1不同的是，本实施例在制备改性膨胀珍珠岩时，步骤2中使用牛肉膏0.6份、蛋白胨0.7份、乳酸钙10份、肌苷1份、磷酸二氢钠15份，水100份；步骤3中使用氧化镁200份、磷酸二氢钾80份、无水乙酸钠5份，其余同实施例1。
实施例5
与实施例1不同的是，本实施例在制备改性膨胀珍珠岩时，步骤2中使用牛肉膏0.7份、蛋白胨0.8份、乳酸钙12份、肌苷1份、磷酸二氢钠17份，水125份；步骤3中使用氧化镁150份、磷酸二氢钾80份、无水乙酸钠5份，其余同实施例1。
实施例6
与实施例2不同的是，本实施例在制备改性膨胀珍珠岩时，步骤2中使用蛋白胨0.7份、尿素10份、硝酸钙10份、氯化钠0.6份、肌苷2份、磷酸二氢钠15份，水125份；步骤3中使用石膏250份、柠檬酸2份，其余同实施例2。
实施例7
将实施例1制备的高抗渗抗冻融的微生物混凝土用于路基路面、水利、地下等设施冻胀后的修复，其具体实施方法为：首先将表面冻胀的约20-30cm厚的混凝土去除；将水泥、砂以及界面剂按1：2：0.5的比例混合后，采用机械喷涂的方法直接喷涂于旧混凝土表面；最后在旧混凝土表面重新浇筑一层新的抗渗抗冻融的微生物混凝土，即可对已发生冻胀破坏的混凝土起到修复的作用。
应当指出，对于本技术领域的一般技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和应用，这些改进和应用也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述微生物混凝土包括如下重量份数的原料：硅酸盐水泥300-500份、硅灰或粉煤灰50-65份、细骨料450-650份、粗骨料900-1250份、减水剂10-15份、水250-400份、改性膨胀珍珠岩5-10份、膨胀珍珠轻石10-50份。
2.根据权利要求1所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述硅酸盐水泥为P42.5级普通硅酸盐水泥；硅灰平均粒径为0.1μm-0.5μm；细骨料为天然河砂，天然河砂通过5mm筛网去除杂质；粗骨料为天然石子，粒径为3-20mm；减水剂为聚羧酸减水剂；改性膨胀珍珠岩粒径为30-50目，质量吸水率约为400％-450％，导热系数为0.03W/(m*k)-0.05W/(m*k)；膨胀珍珠轻石粒径为10mm-30mm。
3.根据权利要求1所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述改性膨胀珍珠岩的制备方法如下：
步骤1：采用真空浸渍吸附法，将膨胀珍珠岩置于真空负压筒中，在负压-0.2Mpa下，将微生物菌液饱和吸附在膨胀珍珠岩的内部，于60-70℃下烘干至恒重，得到固载微生物的膨胀珍珠岩；
步骤2：在固载微生物的膨胀珍珠岩表面均匀喷涂由营养液、固化剂和水混合而成的营养液保护层，待表面营养物质凝结，得到改性膨胀珍珠岩。
4.根据权利要求3所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述步骤1中，微生物菌液与膨胀珍珠岩的重量份数比为2:1。
5.根据权利要求3所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述步骤1中的微生物为一种基于尿素分解的产脲酶菌或一种涉及有机碳向无机碳转化的微生物菌种。
6.根据权利要求5所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于，所述产脲酶菌为KJ01菌种(已于2018年3月26日保藏于中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，保藏编号为CGMCC No.15516)；所述涉及有机碳向无机碳转化的菌种为科氏芽孢杆菌。
7.根据权利要求6所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于：当微生物菌种为KJ01菌种时，营养液的组分及含量为：蛋白胨0.7-1.5份、尿素10-12份、硝酸钙10-15份、氯化钠0.5-0.8份、肌苷1-2份、磷酸二氢钠15-20份、水100-150份；当微生物菌种为科氏芽孢杆菌时，营养液的组分及含量为：牛肉膏0.6-0.8份、蛋白胨0.7-1.0份、乳酸钙10-15份、肌苷1-2份、磷酸二氢钠15-20份、水100-150份。
8.根据权利要求4所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于：所述步骤2中固化剂的组分及含量为：氧化镁150-200份、磷酸二氢钾70-80份、无水乙酸钠3-5份。
9.根据权利要求4所述的一种高抗渗抗冻融的微生物混凝土，其特征在于：所述步骤2中固化剂的组分及含量为：石膏200-250份、柠檬酸2-3份。
10.一种制备权利要求1-9任意一项所述的高抗渗抗冻融的微生物混凝土的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将所述重量份数的改性膨胀珍珠岩和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌预湿；
步骤2：再将所述重量份数的硅酸盐水泥、硅灰或粉煤灰、细骨料、粗骨料、膨胀珍珠轻石和1/3重量份数的水投入搅拌机，搅拌均匀；
步骤3：然后将所述重量份数的减水剂和剩余重量份数的水投入搅拌机，搅拌均匀；
步骤4：最后将混合后的的材料倒入模具养护成形，即得所述微生物混凝土。
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