CN114591025A - 一种微生物自修复混凝土的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微生物自修复混凝土的制备方法，包括以下步骤：1）制备微生物修复剂；2）制备针对混凝土使用的疏水剂；3）制备混凝土，并在其中加入步骤2）制备得到的疏水剂；4）步骤1）制备得到的微生物修复剂均匀加入步骤3）制备的混凝土中，即得微生物自修复混凝土。本发明通过在混凝土中加入疏水剂，改变了混凝土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使混凝土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞混凝土空隙，使混凝土颗粒失去毛细吸水之特性，使之可以更好地配合微生物胶结对混凝土的固化，固化后的混凝土韧性大大提升，避免混凝土发生破坏后强度瞬间丧失的情况发生。

Description

一种微生物自修复混凝土的制备方法
技术领域
本发明涉及混凝土自修复技术领域，具体是指一种微生物自修复混凝土的制备方法。
背景技术
混凝土在现代的土木工程中被广泛应用，其在水化过程中无可避免地会形成初始的微观裂缝。微观裂缝虽然暂时不会对结构产生危害，但是经过长期的温度和外荷载作用，微裂缝会逐渐地扩展成我们肉眼所能看到的宏观裂缝口。宏观裂缝不仅会给结构带来隐患，还会降低结构的耐久性，而微生物自修复混凝土能有效地弥补微裂缝。另外，混凝土本身由于抗拉强度低、脆性大，在服役过程中也会产生多尺度的裂缝，降低混凝土的使用寿命和耐久性。传统的裂缝修补方法有灌浆法、填充法、表面处理法等，这些修补方法使用的材料或对环境有害或与水泥相容性不好，导致粘接强度低，因此对新的、有效的修复技术的研究日益迫切。
微生物自修复混凝土是在成型混凝土时掺入矿化微生物，当微裂缝形成时，载体随之破裂，休眠芽孢被激活，微生物开始矿化沉积；当裂缝被弥补时，芽孢会再次进入休眠状态。与传统裂缝修补技术相比，微生物自修复技术更加绿色、环保、智能，是新型混凝土的发展趋势微生物自修复混凝土是将细菌营养体、休眠芽孢、微生物体及其所需的代谢营养物质用具有相容性的材料包覆起来，再均匀地掺到混凝土中。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够得到性能优异的微生物自修复混凝土的制备方法。
本发明通过下述技术方案实现：一种微生物自修复混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备微生物修复剂；
(2)制备针对混凝土使用的疏水剂；
(3)制备混凝土，并在其中加入步骤(2)制备得到的疏水剂；
(4)步骤(1)制备得到的微生物修复剂均匀加入步骤(3)制备的混凝土中，即得微生物自修复混凝土。
本技术方案的工作原理为，主要基于微生物诱导碳酸钙沉积技术，即在混凝土内部发生的生物化学成矿过程，由微生物分泌的脲酶水解尿素后结合钙离子生成碳酸钙，对土颗粒进行胶结，从而起到改善混凝土物理力学性质的目的，具体反应式如下：
CO(NH2)2+H2O→NH2COOH+2NH3；
NH2COOH+H2O→NH3+H2CO3；
2NH3+2H2O→2NH+2OH；
2OH-+HCO→CO2-+2H2O；
Ca2++Cell→Cell–Ca2+；
Cell-Ca2++CO3 2+→Cell-CaCO。
为改善微生物诱导碳酸钙沉积技术改善的混凝土在破坏后强度瞬间丧失的不足，先对混凝土进行一定程度的改性，即加入本发明提供的疏水剂，该改性剂能够改变混凝土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使混凝土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞混凝土空隙，使混凝土颗粒失去毛细吸水之特性。但是该改性剂的作用需要混凝土承受一定压力，才能彻底发挥改性混凝土的效果，因此，特别加入了微生物抑制剂—大蒜素，在混凝土未完全改性成功时，先抑制混凝土中微生物胶结固化混凝土，大蒜素具有一定的挥发性，在混凝土固定的过程中，含量会不断减少，在混凝土彻底改性成功后，极微量的大蒜素反而能够反向促进微生物的代谢，从而更好地实现混凝土的固话。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)微生物修复剂的具体制备过程为：选择嗜碱芽孢杆菌，并配置相应的培养基对其进行培养，然后测试其菌液OD600值和活性值，将菌液置于低温环境下保藏，并定期活化保持其活性，同时配置与嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量 5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中的菌液OD600 值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD600值。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(1)中，所述胶结液，按百分比计，由40～60％的乳酸钙，10～25％份尿素，15～30％蛋白胨构成。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(2)制备针对混凝土使用的疏水剂的具体过程为：按质量重量份计，将15份芥酸酰胺，10份2- 苯基二乙醇胺，25份防滑粉，5份石膏混合搅拌均匀，调节所得混合物的pH 值，使其pH值为9～10，即得。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述疏水剂通过pH调节剂进行pH值的调节，所述pH调节剂为质量分数为75％的氢氧化钠水溶液。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(3)中混凝土制备过程为，以细度模数为2.5的机制砂、5～25mm连续级配的碎石、水泥、水、减水剂为原料，采用直接加水法配置混凝土，其中水灰比为0.6，减水剂的重量掺量为0.3％，水泥、机制砂、碎石的质量比为2:5:7，然后在再加入步骤(2) 制得的疏水剂，并拌匀。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中微生物自修复混凝土的具体制备过程为，将制备得到的菌液加入混凝土中，拌匀，混凝土与菌液重量比为200：1；接着将嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液混凝土制备过程中，直接加入其中，与混凝土搅拌均匀，加入胶结液与混凝土重量比为1：10。
为了更好地实现本发明的方法，进一步地，所述步骤(4)中，在混凝土中加入菌液和胶结液后，还需要加入质量分数为10％的大蒜素水溶液，加入大蒜素与混凝土重量比为1：1000。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及有益效果：
(1)本发明加入的大蒜素具有一定的挥发性，在土体中一段时间后，含量会越加减少，能够在土体改性完成后，反向促进土体中微生物的生长，在后期加强微生物对土体的加工作用，实现土体的“自愈合”效果；
(2)本发明通过在混凝土中加入疏水剂，改变了混凝土颗粒结构、降低土微粒界面活性，使混凝土颗粒内部原始内聚力重新组合，产生不可逆转的凝聚，阻塞混凝土空隙，使混凝土颗粒失去毛细吸水之特性，使之可以更好地配合微生物胶结对混凝土的固化，固化后的混凝土韧性大大提升，避免混凝土发生破坏后强度瞬间丧失的情况发生；
(3)本发明通过在土体中加入少量大蒜素，能够轻度抑制于土体中微生物的新陈代谢，延缓土体中微生物胶结土体的过程，使得土体具有更长的改性时间，从而更好地配合微生物胶结固化土体，对提高工程结构的安全性和稳定性有积极效果，适宜广泛推广应用。
具体实施方式
为使本发明的目的、工艺条件及优点作用更加清楚明白，结合以下实施实例，对本发明作进一步详细说明，但本发明的实施方式不限于此，在不脱离本发明上述技术思想情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段，做出各种替换和变更，均应包括在本发明的范围内，此处所描述的具体实施实例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
本实施例提供一种微生物自修复混凝土的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备微生物修复剂；选择嗜碱芽孢杆菌，并配置相应的培养基对其进行培养，然后测试其菌液OD600值和活性值，将菌液置于低温环境下保藏，并定期活化保持其活性，同时配置与嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液；所述胶结液，按百分比计，由40～60％的乳酸钙，10～25％份尿素，15～30％蛋白胨构成；
(2)制备针对混凝土使用的疏水剂；按质量重量份计，将15份芥酸酰胺， 10份2-苯基二乙醇胺，25份防滑粉，5份石膏混合搅拌均匀，调节所得混合物的pH值，使其pH值为9～10，即得；所述疏水剂通过pH调节剂进行pH值的调节，所述pH调节剂为质量分数为75％的氢氧化钠水溶液；
(3)制备混凝土，并在其中加入步骤(2)制备得到的疏水剂；以细度模数为2.5的机制砂、5～25mm连续级配的碎石、水泥、水、减水剂为原料，采用直接加水法配置混凝土，其中水灰比为0.6，减水剂的重量掺量为0.3％，水泥、机制砂、碎石的质量比为2:5:7，然后在再加入步骤(2)制得的疏水剂，并拌匀；
(4)步骤(1)制备得到的微生物修复剂均匀加入步骤(3)制备的混凝土中，即得微生物自修复混凝土。将制备得到的菌液加入混凝土中，拌匀，混凝土与菌液重量比为200：1；接着将嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液混凝土制备过程中，直接加入其中，与混凝土搅拌均匀，加入胶结液与混凝土重量比为1： 10；在混凝土中加入菌液和胶结液后，还需要加入质量分数为10％的大蒜素水溶液，加入大蒜素与混凝土重量比为1：1000。
实施例2：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(1)中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。本实施例其他部分与上述实施例相同，这里不再赘述。
实施例3：
本实施例在上述实施例的基础上，进一步限定所述步骤(1)中的菌液 OD600值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD600值。本实施例其他部分与上述实施例相同，这里不再赘述。
实施例4：
本实施例在以上述实施例所述微生物自修复混凝土的制备方法，制备得到自修复混凝土，并验证混凝土裂缝自修复效果，进行如下实验过程：
1、实验对象：
以本申请所述微生物自修复混凝土的制备方法，制备得到自修复混凝土试件，试件为Φ100mm×100mm的圆柱形试件。将成型的试件置于标准条件养护((20±2)℃，RH≥95％)。当混凝土龄期达到28d时，混凝土中0.1～1μm 的孔减少最多，而这正是细菌细胞的尺寸范围，将导致细菌生存空间减少，修复效果变差，工作所使用微生物修复剂对于0.5mm以下的裂缝具有良好的修复效果。故本实验选择在早龄期，即养护7d后沿试件中线方向制备宽度约 0.5mm的裂缝。裂缝制作方法为:在圆柱形试件纵向方向预先缠绕铁丝，铁丝直径为0.5mm，随后在试块侧面包裹胶布固定铁丝；将处理过后的试块放置于抗压试验机上，使铁丝成为受压点，利用抗压试验机以0.2kN/s的速度施加载荷，试块在劈裂作用下产生裂缝。
2、自修复性能表征方法
A.面积修复率
对已制造裂缝且未开始修复的试件进行图像采集。
将采集的图像导入计算机并用Image JPro图像处理软件进行二值化处理，读取裂缝区像素点个数记为A0。将带裂缝的试件按养护条件进行修复养护，当修复养护时间为t时，对相同区域再次进行图像采集并读取裂缝区像素点个数At。按式(1)计算面积修复率ψ：
Figure RE-GDA0003603428860000071
B.当混凝土开裂产生裂缝时，若外部有水，水将通过裂缝区域透过混凝土。当混凝土裂缝表面或内部被修复时，裂缝区域将减小，水的透过将受到阻碍，故一定时间内透过混凝土的水量将减少。根据达西定律，根据式(2)计算渗水系数：
Figure RE-GDA0003603428860000072
其中，K为渗水系数，m/s；Q为水流量，m3/s；L为试件高度，m；A为试件透水面积，m2；Δh为水头差，m。Δh、L、A均由混凝土试件和试验装置所确定，试验过程中只需测定一定时间内通过试件的水量即可计算出渗水系数 K。
在混凝土试件开裂且未开始修复时测定试件的渗水系数记为K0，随着裂缝修复的进行，在修复龄期为t时用上述方法测定试件的渗水系数，即得到该龄期下的渗水系数Kt。按式(3)计算抗水渗透修复率ε：
Figure RE-GDA0003603428860000081
3、实验结果
各试件在龄期为7d时开裂并养护28d后，添加微生物修复剂的混凝土裂缝表面产生了较多的白色物质填充裂缝。具体情况如下表所示：
Figure RE-GDA0003603428860000082
本申请提供的微生物自修复混凝土的制备方法修复效果较好。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）制备微生物修复剂；
（2）制备针对混凝土使用的疏水剂；
（3）制备混凝土，并在其中加入步骤（2）制备得到的疏水剂；
（4）步骤（1）制备得到的微生物修复剂均匀加入步骤（3）制备的混凝土中，即得微生物自修复混凝土。
2.根据权利要求1所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）微生物修复剂的具体制备过程为：选择嗜碱芽孢杆菌，并配置相应的培养基对其进行培养，然后测试其菌液OD600值和活性值，将菌液置于低温环境下保藏，并定期活化保持其活性，同时配置与嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液。
3.根据权利要求2所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中菌液活性值的测试过程为，取5mL菌液，与45mL1.6M尿素溶液混合，用电导率仪测量5min溶液电导率的变化，所测5min内平均电导率变化值乘以稀释倍数来反映菌液酶活性。
4.根据权利要求2或3所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中的菌液OD600值测试过程为，先将活化培养的菌液稀释至10倍，然后取200μL放入酶标仪中，直接测量菌液的OD600值。
5.根据权利要求2或3所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，所述胶结液，按百分比计，由40~60%的乳酸钙，10~25%份尿素，15~30%蛋白胨构成。
6.根据权利要求1~3任一项所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）制备针对混凝土使用的疏水剂的具体过程为：按质量重量份计，将15份芥酸酰胺，10份2-苯基二乙醇胺，25份防滑粉，5份石膏混合搅拌均匀，调节所得混合物的pH值，使其pH值为9~10，即得。
7.根据权利要求6所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述疏水剂通过pH调节剂进行pH值的调节，所述pH调节剂为质量分数为75%的氢氧化钠水溶液。
8.根据权利要求1~3任一项所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中混凝土制备过程为，以细度模数为2.5的机制砂、5~25mm连续级配的碎石、水泥、水、减水剂为原料，采用直接加水法配置混凝土，其中水灰比为0.6，减水剂的重量掺量为0.3%，水泥、机制砂、碎石的质量比为2:5:7，然后在再加入步骤（2）制得的疏水剂，并拌匀。
9.根据权利要求2所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中微生物自修复混凝土的具体制备过程为，将制备得到的菌液加入混凝土中，拌匀，混凝土与菌液重量比为200：1；接着将嗜碱芽孢杆菌胶匹配的胶结液混凝土制备过程中，直接加入其中，与混凝土搅拌均匀，加入胶结液与混凝土重量比为1：10。
10.根据权利要求9所述的一种微生物自修复混凝土的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，在混凝土中加入菌液和胶结液后，还需要加入质量分数为10%的大蒜素水溶液，加入大蒜素与混凝土重量比为1：1000。
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