CN114607167A - 一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微生物和土木工程交叉科学技术领域，且公开了一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，具体操作步骤如下：S1、混凝土裂缝表面封闭材料的制备：预先进行营养盐溶液的配制以及微生物水泥的制备；S2、在室外混凝土骑缝处的上方粘贴灌浆嘴，灌浆嘴以外的缝面和灌浆嘴周边采用环氧涂层进行封闭，且灌浆嘴的方向为倾斜向上，灌浆嘴的数量为偶数，灌浆嘴沿缝排列。本发明通过提供了一种利用微生物水泥与传统化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，环氧灌浆不受结构形状限制，将裂缝完全封堵，表面碳酸钙覆膜层封闭密实，可大规模、可持续使用，在裂缝的不同位置使用不同的修复方法，避免了一种方法的局限性。

Description

一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法及装置
技术领域
本发明属于微生物和土木工程交叉科学技术领域，具体是微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法及装置。
背景技术
混凝土作为我国的各大中小建筑主要建筑材料，具有强度高、稳定性好、使用寿命长、维修费用低等诸多优点，非均质脆性材料在周围环境的影响下容易在构件内部产生微裂纹，如果这些微裂纹不能及时修复，这些不规则、不一致的微裂纹会在外界因素的影响下进一步发展。宏观裂缝会大大降低混凝土材料的耐久性和安全性。对于裂缝修复，可以采用表面修补法、灌浆嵌缝堵漏法、结构加固法、混凝土置换法、电化学防护法、基于微生物矿化的混凝土裂缝修复技术等多种修复方法。
传统的修复系统有许多不利的方面，如与混凝土相比的热膨胀系数不同，以及对环境和健康的危害。细菌诱导碳酸钙沉淀被认为是一种环境友好、可持续发展的裂缝修复技术。目前，基于微生物矿化的混凝土裂缝修复技术尚处于初期阶段，对于微裂缝往往修复效果欠佳，固化强度低、均匀性差。，限制了微生物修复技术的应用范围。
发明内容
本发明的目的是针对以上问题，本发明提供了微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法及装置，以解决背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，具体操作步骤如下：
S1、混凝土裂缝表面封闭材料的制备：预先进行营养盐溶液的配制以及微生物水泥的制备；
S2、在室外混凝土骑缝处的上方粘贴灌浆嘴，灌浆嘴以外的缝面和灌浆嘴周边采用环氧涂层进行封闭，且灌浆嘴的方向为倾斜向上，灌浆嘴的数量为偶数，灌浆嘴沿缝排列；
S3、在灌浆嘴内插入弹簧自动灌浆注射器，且将SK-E双组份改性环氧A、B组分按2:1比例混合均匀，釆用注射器向裂缝内灌注环氧灌浆液，缝的第一个底座作为排气嘴，第二个底座作为出浆嘴，以此类推，直至整条裂缝都充满浆液为止；
S4、混凝土裂缝进行传统化学灌浆修复，待灌浆液固化后，沿缝将混凝土表面打磨，清理干净；
S5、微生物水泥表面封闭试验采用先涂覆菌液，待混凝土表面基本风干后再洒入营养液的方法，或采用修复混合液的方式，即先将规定浓度的菌液和营养液按1:1.5的比例混合后再洒入混凝土表面；
S6、对混凝土表面进行多次涂覆，碳酸钙持续增长，待混凝土表面及缝面已被碳酸钙覆盖，覆膜层较厚，且坚硬、密实即可。
作为本发明的一种优选技术方案，S1步骤中微生物为巴氏芽孢八叠球菌，培养液配方为酵母提取物20g/L，Tris 15.75g/L，并用1mol/L的NaOH调节pH值至9，培养液经121℃高压灭菌20min，待其冷却至50～60℃时，根据需要加入(NH4)2SO4溶液至浓度为10g/L，取菌液以2％接种量注入培养基内，在30℃的温度下，以200r/min的转速进行振荡培养，至活化成功。
作为本发明的一种优选技术方案，S2步骤中灌浆嘴的数量为2个，直径为lcm。
作为本发明的一种优选技术方案，S3步骤中灌浆液釆用注射器向裂缝内进行低压灌浆，灌浆压力约为0.5～1.6MPa；
采用低压灌浆处理能够有效的将材料完整的注射进到缝隙内部，能够避免用力过大材料的溢出，同时整体渗透相对柔和与稳定，也能够减少材料的消耗，提供灌胶的质量。
作为本发明的一种优选技术方案，S4步骤中灌浆液完全固化硬结后铲除灌浆嘴，采用打磨机磨除封闭裂缝的环氧涂层，直至露出新鲜混凝土基面；
这样处理则是确保地面的平整，内部灌浆液硬化后，立刻将灌浆嘴去除，此时整体凝结度一般，便于处理与打磨。
作为本发明的一种优选技术方案，S4步骤中沿缝将混凝土表面打磨，宽度20～25cm，表面清理干净后，沿缝用玻璃胶将裂缝分隔成宽度约20cm、长度约50cm的小方条区，面积约为0.1m2。
作为本发明的一种优选技术方案，S5步骤中菌液涂覆量每日上午约为0.02mL/cm2、下午约为0.04mL/cm2；营养液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2。
作为本发明的一种优选技术方案，S5步骤中修复混合液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2。
本申请还提出了微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复装置，包括下筒，所述下筒的底部设置有排料口，所述排料口的顶部螺纹连接有上筒，所述上筒内侧的顶部固定安装有固定环，所述固定环的底部固定安装有弹簧，所述弹簧的底部固定安装有活塞板，所述活塞板内部的中部设置有轴承，所述轴承的顶部轴承连接有升降柱，所述升降柱的上端固定安装有螺纹筒，所述排料口的内部活动卡接有灌浆嘴，所述灌浆嘴的底部设置有混凝土地面，所述灌浆嘴底部的中部位于混凝土地面内部缝隙的顶部；
该装置组合在一起就是一个完整的灌浆装置，具体操作方法也非常简单：操作人员预先进行注浆工作，人工利用升降柱结构进行反方向旋转，此时螺纹筒开始脱离出下筒区域往上移动，对应的弹簧被压缩、活塞板与轴承被往上提拉，因为轴承自身结构的缘故，整个弹簧不会被旋转扭曲，当整个升降柱被提升到一定程度时，操作人员将下筒结构螺旋取下，随后往上筒的内部诸如浆液，完成处理后再将下筒安装到上筒底部即可，随后利用排料口对准灌浆嘴，操作人员开始慢慢的旋转升降柱结构，升降柱会推动活塞板将内部注入的浆液缓慢稳定的注射排除，整个装置采用该形式，相较于现有设计的类似于医疗注射器的形式，该形式整体控制更加稳定，人工按压，借助螺旋下降，一方面能够保证浆液的挤压稳定，同时整体控制与注液量大、操作难度低。
作为本发明的一种优选技术方案，所述上筒与下筒圆柱区域内径值相一致且内壁表面光滑，所述上筒上端的外环设置有螺纹槽，所述螺纹筒与下筒区域的螺纹槽相适配。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明通过提供了一种利用微生物水泥与传统化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，在修复时，釆用注射器向裂缝内灌注环氧灌浆液直至整条裂缝都充满浆液为止；待灌浆液固化后，沿缝将混凝土表面打磨好，再采用微生物水泥修复方法进行表面封闭；该方法简单易实施，环氧灌浆不受结构形状限制，将裂缝完全封堵，表面碳酸钙覆膜层封闭密实，微生物作为可再生的物质，可大规模、可持续使用，在裂缝的不同位置使用不同的修复方法，避免了一种方法的局限性；并且本专利对应设置了灌浆结构，整体采用可拆卸式组装方法，能够快速的完成灌浆材料的添加，内部设置对应的螺纹装置加压处理，一方面排料稳定压力小，能够减少物料的浪费，另一方面整体控制简单容易，易上手。
附图说明
图1为本发明灌浆注射器结构剖面示意图；
图2为本发明灌浆注射器配合工作示意图；
图3为本发明灌浆注射器结构示意图；
图4为本发明裂缝灌浆试验图；
图5为本发明混凝土裂缝表面封闭试验图；
图6为本发明裂缝表面修复层黏结强度试验图；
图7为本发明经环氧灌浆及微生物水泥表面封闭缝芯样形貌；
图8为本发明采用微生物涂覆后样品表面沉积物微观形貌与能谱分析结果图。
图中：1、下筒；2、排料口；3、上筒；4、升降柱；5、螺纹筒；6、固定环；7、弹簧；8、轴承；9、活塞板；10、混凝土地面；11、缝隙；12、灌浆嘴。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在海南省三亚某码头进行了现场混凝土裂缝修复试验，采用以下步骤对裂缝进行了修复。
实施例1
微生物水泥的制备：称取酵母提取物20g，Tris 15.75g于1000mL去离子水中溶解，用1mol/L的NaOH调节pH值至9，配置成所需培养基溶液，于121℃高温下灭菌20分钟后取出待冷却，加入20ml 50％(NH4)2SO4溶液，以2％接种量将巴氏芽孢八叠球菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为200r/min，培养时间12h，控制菌液OD600值在0.8-1.2之间；将培养好的菌液高速离心l0min，离心机转速为4000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质900ml，制成10倍浓缩菌液。
参照图2，采用“贴嘴灌浆法”，即采用设计的注射装置进行低压灌浆，首先采用打磨机沿混凝土缝隙11打磨，并用大功率吹风机清理缝内粉尘等杂物，以保证灌浆能顺畅进行；按10～15cm间距标出注入口，骑缝粘贴灌浆嘴12，采用环氧涂层对灌浆嘴12以外的缝面和灌浆嘴12周边进行封闭，以保证灌浆时不漏浆；
在灌浆嘴12内插入组合好的灌浆装置，将SK-E双组份改性环氧A、B组分按2:1比例混合均匀(灌浆材料的物理力学性能见表1)，釆用注射器向裂缝11内分别灌注环氧灌浆液，缝的第一个底座作为排气嘴，第二个底座作为出浆嘴，以此类推，直至整条裂缝都充满浆液为止，灌浆压力约为0.5～1.6MPa，试验过程见图4；待灌浆液完全固化硬结后铲除灌浆嘴12，采用打磨机磨除封闭裂缝的环氧涂层，直至露出新鲜混凝土基面；
裂缝进行传统化学灌浆修复后，待灌浆液固化，沿缝将混凝土地面10打磨，宽度20～25cm，表面清理干净后，沿缝用玻璃胶将裂缝分隔成宽度约20cm、长度约50cm的小方条区，面积约为0.1m2。
微生物水泥表面封闭试验：采用先涂覆菌液，待混凝土表面基本风干后再洒入营养液的方法：均采用10倍浓缩菌液，营养液浓度均为1.25mol/L，营养液钙源选用氯化钙，钙盐与尿素摩尔比均为1:1，菌液涂覆量每日上午约为0.02mL/cm2、下午约为0.04mL/cm2，营养液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2；试验开始后，每日约早九点、晚四点各进行1次涂覆试验，共涂覆20次，为防止紫外线辐射，试验期间采用木板覆盖混凝土表面。
对混凝土表面进行多次涂覆，碳酸钙持续增长，图5为混凝土表面涂覆6次、12次和20次时的形貌，随涂覆次数的增加，混凝土表面及缝面已被碳酸钙覆盖，覆膜层较厚，且坚硬、密实。
环氧灌浆后经压水试验，压力0.5MPa，稳压10min，压入流量0.0008L/min，缝面无渗水；混凝土裂缝表面封闭试验结束后选取了覆膜层相对较厚的两处进行黏结强度试验，拉拔前打孔及拉拔后断面形貌见图6，黏结强度为1.78MPa；取芯观察，裂缝宽度约0.6mm，深度约4.7cm，环氧将裂缝完全封堵，表面碳酸钙覆膜层封闭密实；随着微生物水泥涂覆次数的增加毛细吸水系数明显降低，涂覆4次、8次、12次、16次、20次时，混凝土毛细吸水系数分别为3564.2、1694.5、1065.1、442.1、233.8g/(m2·h1/2)，混凝土24h单位面积吸水量降低率分别为51.6％、80.5％、84.4％、93.4％、97.3％，修复效果显著。
实施例2:
称取酵母提取物10g，Tris 7.845g于500mL去离子水中溶解，调节pH为9，配置成所需培养基溶液，于121℃高温下灭菌20分钟后取出待冷却，加入10ml 50％(NH4)2SO4溶液，将巴氏芽孢八叠球菌接种至冷却培养基溶液中，30℃下振荡培养，振荡频率为200r/min，培养时间12h；将培养好的菌液高速离心10min，离心机转速为4000rpm，温度为4℃，去除上层培养基营养物质450ml，制成10倍浓缩菌液。
在室外混凝土骑缝处的上方粘贴灌浆嘴，所述灌浆嘴以外的缝面和灌浆嘴周边采用环氧涂层进行封闭，且灌浆嘴的方向为倾斜向上，所述灌浆嘴的数量为偶数，所述灌浆嘴沿缝排列。
在灌浆嘴内插入弹簧自动灌浆注射器，且将SK-E双组份改性环氧A、B组分按2:1比例混合均匀，釆用注射器向裂缝内分别灌注环氧灌浆液，缝的第一个底座作为排气嘴，第二个底座作为出浆嘴，以此类推，直至整条裂缝都充满浆液为止。
裂缝进行传统化学灌浆修复后，待灌浆液固化，沿缝将混凝土表面打磨，清理干净。
微生物水泥表面封闭试验：采用修复混合液的方式，将10倍浓缩菌液和营养液按1:1.5的比例混合后再洒入混凝土表面，营养液浓度为2.5mol/L，营养液钙源选用氯化钙，钙盐与尿素摩尔比均为1:1。修复混合液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2，共涂覆20次。
对混凝土表面进行多次涂覆，碳酸钙持续增长，待混凝土表面及缝面已被碳酸钙覆盖，覆膜层较厚，且坚硬、密实即可。
环氧将裂缝完全封堵，连续修复20d，表面碳酸钙覆膜层封闭密实。混凝土表面涂覆修复混合液后毛细吸水系数为557.42g/(m2·h1/2)，降低幅度约为91.6％，24h单位面积吸水量降低率为87.3％，防护效果明显。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
表1 SK-E双组份改性环氧灌浆液的物理力学性能(28d龄期)
Figure BDA0003548282480000081
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：具体操作步骤如下：
S1、混凝土裂缝表面封闭材料的制备：预先进行营养盐溶液的配制以及微生物水泥的制备；
S2、在室外混凝土骑缝处的上方粘贴灌浆嘴，灌浆嘴以外的缝面和灌浆嘴周边采用环氧涂层进行封闭，且灌浆嘴的方向为倾斜向上，灌浆嘴的数量为偶数，灌浆嘴沿缝排列；
S3、在灌浆嘴内插入弹簧自动灌浆注射器，且将SK-E双组份改性环氧A、B组分按2:1比例混合均匀，釆用注射器向裂缝内灌注环氧灌浆液，缝的第一个底座作为排气嘴，第二个底座作为出浆嘴，以此类推，直至整条裂缝都充满浆液为止；
S4、混凝土裂缝进行传统化学灌浆修复，待灌浆液固化后，沿缝将混凝土表面打磨，清理干净；
S5、微生物水泥表面封闭试验采用先涂覆菌液，待混凝土表面基本风干后再洒入营养液的方法，或采用修复混合液的方式，即先将规定浓度的菌液和营养液按1:1.5的比例混合后再洒入混凝土表面；
S6、对混凝土表面进行多次涂覆，碳酸钙持续增长，待混凝土表面及缝面已被碳酸钙覆盖，覆膜层较厚，且坚硬、密实即可。
2.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S1步骤中微生物为巴氏芽孢八叠球菌，培养液配方为酵母提取物20g/L，Tris15.75g/L，并用1mol/L的NaOH调节pH值至9，培养液经121℃高压灭菌20min，待其冷却至50～60℃时，根据需要加入(NH4)2SO4溶液至浓度为10g/L，取菌液以2％接种量注入培养基内，在30℃的温度下，以200r/min的转速进行振荡培养，至活化成功。
3.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S2步骤中灌浆嘴的数量为2个，直径为lcm。
4.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S3步骤中灌浆液釆用注射器向裂缝内进行低压灌浆，灌浆压力约为0.5～1.6MPa。
5.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S4步骤中灌浆液完全固化硬结后铲除灌浆嘴，采用打磨机磨除封闭裂缝的环氧涂层，直至露出新鲜混凝土基面。
6.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S4步骤中沿缝将混凝土表面打磨，宽度20～25cm，表面清理干净后，沿缝用玻璃胶将裂缝分隔成宽度约20cm、长度约50cm的小方条区，面积约为0.1m2。
7.根据权利要求1所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S5步骤中菌液涂覆量每日上午约为0.02mL/cm2、下午约为0.04mL/cm2；营养液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2。
8.根据权利要求1的微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复方法，其特征在于：S5步骤中修复混合液涂覆量每日上午约为0.04mL/cm2、下午约为0.06mL/cm2。
9.一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复装置，包括下筒(1)，其特征在于：所述下筒(1)的底部设置有排料口(2)，所述排料口(2)的顶部螺纹连接有上筒(3)，所述上筒(3)内侧的顶部固定安装有固定环(6)，所述固定环(6)的底部固定安装有弹簧(7)，所述弹簧(7)的底部固定安装有活塞板(9)，所述活塞板(9)内部的中部设置有轴承(8)，所述轴承(8)的顶部轴承连接有升降柱(4)，所述升降柱(4)的上端固定安装有螺纹筒(5)，所述排料口(2)的内部活动卡接有灌浆嘴(12)，所述灌浆嘴(12)的底部设置有混凝土地面(10)，所述灌浆嘴(12)底部的中部位于混凝土地面(10)内部缝隙(11)的顶部。
10.根据权利要求9所述的一种微生物水泥与化学灌浆技术组合的裂缝修复装置，其特征在于：所述上筒(3)与下筒(1)圆柱区域内径值相一致且内壁表面光滑，所述上筒(3)上端的外环设置有螺纹槽，所述螺纹筒(5)与下筒(1)区域的螺纹槽相适配。
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