CN114956737B - 一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土 - Google Patents

一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，所述自修复混凝土由混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质混制而成；其中，所述载菌泡沫混凝土由碳化改性的泡沫混凝土载体以及负载在泡沫混凝土载体上的胶质芽孢杆菌组成。本发明对废弃的泡沫混凝土碳化改性后作为载体固载微生物，泡沫混凝土本身具有丰富的孔洞和粗糙的表面，有利于微生物的附着，同时利用真空吸附方式大大提高了载体上微生物的负载量，从而有效提高裂缝的自修复效能，同时改性后的泡沫混凝土还具有较好的机械性能，进而在加入混凝土配料中后其对混凝土材料力学性能的负面影响小。

Description

一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土
技术领域
本发明涉及一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土。
背景技术
混凝土是一种应用最广泛的建筑材料，具有优良的抗压强度和耐久性。随着现代化进程的不断推进，建筑工程对混凝土的需求越来越大。混凝土作为一种脆性材料，在实际应用中，容易受应力的作用产生裂缝，影响其耐久性和使用寿命。针对上述问题，利用一类特殊微生物的矿化反应来填补混凝土的裂缝，实现混凝土裂缝的自修复近年来被广泛的应用。
自然界存在一种具有耐碱性的胶质芽孢杆菌，其可以利用自身分泌的碳酸酐酶(CA)催化二氧化碳与水发生反应生成碳酸氢根和氢离子，在碱性环境下，碳酸氢根会进一步与氢氧根发生反应生成碳酸根，此时碳酸根可以与环境中存在的钙离子再发生反应生成碳酸钙沉淀。但由于混凝土内部的碱性过高，并且结构密实，直接在混凝土拌制过程中将微生物加入，会严重降低微生物的活性，不能取得良好的裂缝修复效果。因此，选择一种合适的载体材料对微生物进行一定的负载，再加入到混凝土的拌制过程中，可以提高微生物在混凝土内部的存活率，达到修复裂缝的效果。但是载体的选择非常重要，在能固载微生物的前提下，还要满足微生物生存所需的条件，并且不显著损害混凝土材料的性能。
有研究者使用价格较低廉的多孔材料为载体负载微生物掺入，但是大部分多孔载体如膨胀珍珠岩、硅藻土、陶粒、烧结陶瓷微珠和沸石等，存在强度较低或者吸附率较差等缺点，会降低修复效率，同时降低混凝土的力学性能；针对载体强度低的缺点，有研究者使用包裹材料，对吸附微生物后的载体进行包裹，一定程度上提升了载体的强度，但是存在包裹操作繁琐，制备成本增加的缺点。又有研究者使用一些强度较高的建筑废弃材料如再生粗骨料和建筑废砖等作为载体进行微生物固载，属于废物再利用，具有经济成本低的特点，在实现裂缝修复的同时，不明显降低混凝土的力学性能，但使用再生骨料和废弃砖等依然存在载体吸附率较低、裂缝修复效能不高等缺点。
发明内容
发明目的：针对现有自修复混凝土存在裂缝修复效果有限，载体会降低混凝土力学性能的问题，本发明提供一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，该自修复混凝土采用碳化改性的泡沫混凝土为载体，碳化改性后泡沫混凝土载体对微生物吸附率高，并且微生物活性高，从而裂缝修复效能高；另外碳化改性后泡沫混凝土载体强度高，掺杂入混凝土材料后对混凝土力学性能影响小。
技术方案：本发明所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，所述自修复混凝土由混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质混制而成；其中，所述载菌泡沫混凝土由碳化改性的泡沫混凝土载体以及负载在泡沫混凝土载体上的胶质芽孢杆菌组成。
其中，所述载菌泡沫混凝土的掺量为混凝土体积的9％～15％。
其中，所述泡沫混凝土载体为废弃泡沫混凝土载体，废弃泡沫混凝土来源于建筑工地，废弃泡沫混凝土表面覆盖的是水泥浆体，pH值高达12左右，不适宜微生物生存，因此需要对其进行改性处理，对泡沫混凝土载体改性采用如下方法：先对废弃泡沫混凝土进行破碎和筛分，选取粒径为1.18～4.75mm的泡沫混凝土，再通过CO2碳化对其进行处理，选取这个粒径范围的泡沫混凝土颗粒能够减小对混凝土力学性能的影响；泡沫混凝土采用CO2碳化处理能够降低其表面的孔隙率和降低其表面碱性；
具体为：将筛选好的泡沫混凝土颗粒在托盘上均匀铺开，放入碳化箱中，设置碳化箱的CO2浓度为1％～100％、碳化温度为5℃～50℃、相对湿度25％～75％，进行碳化处理，碳化处理24h后测得泡沫混凝土表面pH值为8～9，堆积密度为702kg/m3，压碎值为16.6％，吸水率为20.5％，碳化处理后载体表面pH值降低了3～4，泡沫混凝土颗粒的压碎值降低了2.1％～3.5％，强度得到提升，同时吸水率降低了4.2％～6.7％。
其中，所述载菌泡沫混凝土由改性后的泡沫混凝土真空吸附胶质芽孢杆菌菌液制得，具体为：将改性后的泡沫混凝土浸没在装有微生物菌悬液的烧杯中，将烧杯放置在真空箱内，打开气泵，保持真空箱内气压-0.08MPa，吸附30min，最后30℃烘干至恒重即可。真空吸附能够提高泡沫混凝土载体上胶质芽孢杆菌的固载量和固载效率。30℃下烘干是为了去除水分，只保留微生物。
其中，所述微生物菌悬液由培养得到的微生物菌液通过离心沉淀和重悬制得。
其中，所述微生物菌液将微生物菌种经过培养后得到，具体为：使用LB液体培养基接种胶质芽孢杆菌菌种，在培养温度35℃、培养液pH为8下连续培养27.5h后得到。在培养温度35℃、pH＝8，连续培养27.5h下，培养得到的微生物菌液OD400值为2.860，酶活性为0.029μmol/min，因此说明该培养条件下得到的微生物具有良好的酶活性，酶活性越高，促进生成的修复物质就越多，裂缝自修复效能就越好。
其中，所述营养物质为甲酸钙；所述营养物质掺量为胶凝材料质量的2％；胶凝材料包括水泥和粉煤灰。营养物质为胶质芽孢杆菌提供钙离子，使碳酸根与钙离子反应生成碳酸钙沉淀，实现缝隙的修复。
其中，自修复混凝土中混凝土配料由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、减水剂以及水组成，其中，水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、减水剂和水的混合质量比为30：8：79：103：0.46：16。
本发明以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土采用如下方法制备而成：将配方量的载菌泡沫混凝土、营养物质和混凝土配料混合，混合后搅匀并装入模具中，在室温下养护24h后脱模，得到本发明自修复混凝土。
废弃泡沫混凝土经CO2碳化处理后，泡沫混凝土表面水泥浆体中的高碱性物质与CO2发生反应，转化为了低碱性的碳酸钙，降低了泡沫混凝土表面的pH值，满足了微生物的生存条件，同时泡沫混凝土压碎指标降低，从而泡沫混凝土强度得到一定程度提升，但未显著降低其吸水率，另外，对微生物培养条件进行优化，提升了微生物菌液的酶活性，从而能够更好的促进矿化反应生成沉淀填补裂缝。
有益效果：本发明对废弃的泡沫混凝土碳化改性后作为载体固载微生物，泡沫混凝土本身具有丰富的孔洞和粗糙的表面，有利于微生物的附着，同时利用真空吸附方式大大提高了载体上微生物的负载量，从而有效提高裂缝的自修复效能，同时碳化改性后的泡沫混凝土还具有较好的机械性能，进而在加入混凝土配料中后其对混凝土材料力学性能的负面影响小，本发明将废弃的泡沫混凝土破碎后，作为固载微生物的载体，在实现裂缝自修复的同时还实现了固废的重新利用；并且通过试验测定，发现掺入泡沫混凝土后还提升了混凝土材料的拉压比，改善了混凝土材料的脆性(因为在内部生成自修复物质，填充了孔隙，提高了混凝土材料的密实度)。
附图说明
图1为实施例1试件裂缝修复养护0d和28d的观测图；
图2为对比例2试件裂缝修复养护0d和28d的观测图；
图3为实施例1裂缝析出沉淀物的XRD分析图谱。
具体实施方式
实施例1
本实施例选用的废弃泡沫混凝土来源于建筑工地，经过破碎和筛分选取粒径为1.18～4.75mm的泡沫混凝土颗粒，胶质芽孢杆菌购于北京百欧博伟生物技术有限公司，为冻干菌种。胶质芽孢杆菌的培养使用LB培养基，LB培养基pH值为7.2，主要成分包括胰蛋白胨、酵母提取物、氯化钠和蒸馏水。
首先对废弃泡沫混凝土进行CO2碳化处理，降低其表面的高碱性，达到微生物生存所需的pH值范围(8～9)，使其可以作为微生物的载体使用，具体为：将筛选好的泡沫混凝土颗粒(2.36～4.75mm)在托盘上均匀铺开，放入碳化箱中，设置碳化箱的CO2浓度为30％、碳化温度为25℃、相对湿度为55％，碳化处理24h，测得碳化处理后泡沫混凝土的pH值为8.6，堆积密度为702kg/m3，压碎值为16.6％，吸水率为20.5％。
然后将微生物冻干粉活化，在最佳的微生物培养条件下：培养温度35℃、pH＝8，连续培养27.5h，培养得到的微生物菌液OD400值为2.860，酶活性为0.029μmol/min；接着将上述培养得到的菌液进行离心操作，得到微生物菌泥沉淀，再使用蒸馏水重悬后得到微生物菌悬液。
接着采用真空吸附的方式将微生物固载到改性后的泡沫混凝土上，具体为：将载体浸没在装有微生物菌悬液的烧杯中，将烧杯放置在真空箱内，真空箱内气压-0.08MPa，吸附30min，最后30℃下烘干至恒重。
最后制备自修复混凝土，自修复混凝土由混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质组成；其中每立方米的混凝土材料中，混凝土配料各组分加入量为：水泥300kg；粉煤灰80kg；细集料790kg；粗集料1030kg；水160kg；减水剂4.6kg；水泥为P·O42.5等级普通硅酸盐水泥；粉煤灰为II级粉煤灰；细集料为天然河砂，细度模数为2.36，堆积密度1770kg/m3，表观密度2640kg/m3；粗集料为碎石，粒径5-25mm，堆积密度1580kg/m3，表观密度2700kg/m3；水为自来水；减水剂为聚羧酸盐类高性能减水剂，固含量为20％，减水率为30％；载菌泡沫混凝土粒径为2.36～4.75mm，载菌泡沫混凝土加入量为84.24kg；营养物质为甲酸钙，加入量为7.6kg，甲酸钙为分析纯，有效成分98％。
将配方量的混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质混合拌制，拌制完成后转移到准备好的模具中，放在震实台上震实，随后在室温下养护24h后脱模，得到自修复混凝土试样，最后转移到混凝土标准养护箱中养护。
表1 CO2碳化处理前后废弃泡沫混凝土性能对比
Figure BDA0003707929370000041
如表1所示，通过CO2碳化处理，泡沫混凝土的pH值降低，满足了胶质芽孢杆菌生存要求(pH值8～9)，同时压碎指标也有所降低，从而颗粒强度得到提升，吸水率虽然降低，但仍满足要求。在CO2碳化处理时，泡沫混凝土表面水泥砂浆中的高碱性水化产物与CO2发生反应转化为弱碱性的CaCO3等物质，降低了泡沫混凝土表面的pH值，以Ca(OH)2为例，反应方程如下式(1)所示：
Ca(OH)2+H2O+CO2→CaCO3+2H2O (1)
另外，通过BP神经网络优化提升了胶质芽孢杆菌菌液的酶活性，如表2所示。
表2微生物优化前后对比
Figure BDA0003707929370000051
从表2可以看出，优化后的培养方案，缩短了微生物的培养时间；另外，虽然优化前后菌液的OD400值没有明显变化，但是酶活性却得到了提升，这表明优化后菌液内微生物的活性水平有所提高。
实施例2
实施例2与实施例1自修复混凝土的组成基本相同，唯一不同之处在于，每立方米的自修复混凝土材料中，实施例2中载菌泡沫混凝土加入量为105.3kg。
实施例3
实施例3与实施例1自修复混凝土的组成基本相同，唯一不同之处在于，每立方米的自修复混凝土材料中，实施例3中载菌泡沫混凝土加入量为63.18kg。
实施例4
实施例4与实施例1自修复混凝土的组成基本相同，唯一不同之处在于，加入到混凝土配料中的载菌泡沫混凝土的粒径为1.18-2.36mm。
对比例1
对比例1与实施例1自修复混凝土相比，对比例1的混凝土只有混凝土配料和营养物质组成，不含载菌泡沫混凝土。
对比例2
对比例2与实施例1自修复混凝土相比，对比例2的混凝土由混凝土配料、微生物菌悬液和营养物质组成，即对比例2将微生物菌悬液直接加入到混凝土配料中，并代替部分的拌合水。
对比例3
对比例3为专利公告号CN110423065B中的实施例一，实施例一以体积掺量为25％的再生粗骨料为载体的自修复混凝土。
对比例4
对比例4为专利公告号CN110451876B中的实施例一，实施例一以体积掺量为20％的再生砖骨料为载体的自修复混凝土。
对比例5
对比例5与实施例1自修复混凝土相比，对比例5的自修复混凝土由混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质组成，但是废弃泡沫混凝土未进行CO2碳化改性，未进行CO2碳化改性废弃泡沫混凝土采用真空吸附的方式将微生物固载到泡沫混凝土上，具体为：将载体浸没在装有微生物菌悬液的烧杯中，将烧杯放置在真空箱内，真空箱内气压-0.08MPa，吸附30min，最后30℃下烘干至恒重；经检测，载体上微生物活性极低，仅为0.008μmol/min。
将实施例1～4和对比例1～4得到的混凝土试件在养护到7d时，分别进行造裂缝和修复养护操作。首先使用透明胶带将与试块受压面垂直的四个面缠绕两至三圈，再使用万能试验机在混凝土试块的受压面施压，试块就会在受压面的对立面上产生裂缝。接着将造完裂缝的试块放入水中养护，同时使用小型气泵不间断的往水中打入空气。在养护到一定龄期后，将试块取出，观察并记录裂缝修复情况。实施例1～4和对比例1～4各试件在养护到28d时，按照标准GB/T 50081-2019《混凝土物理力学性能试验方法标准》测定试件的抗压强度和劈裂抗拉强度。实施例1～4和对比例1～4各试件的裂缝修复效果和力学性能如表3和表4所示。
图1和图2分别为实施例1(泡沫混凝土颗粒固载)和对比例2(直接掺菌)对应的试件裂缝修复养护0d和28d的表观对比图，从图1～2中可以看出，实施例1试件裂缝处沉积的物质更多，裂缝填充效果更好。
图3为实施例1裂缝处沉积物质经过XRD分析得到的图谱，通过XRD可知，实施例1试件的裂缝析出物为方解石和球霰石两种晶体形态的碳酸钙。
表3不同试件的裂缝修复率和物理性能
Figure BDA0003707929370000061
Figure BDA0003707929370000071
表4自修复混凝土的力学性能
实验 28d抗压强度(MPa) 28d劈裂抗拉强度(Mpa) 拉压比
实施例1 32.6 1.73 0.0531
实施例2 30.5 1.52 0.0498
实施例3 35.9 1.85 0.0515
实施例4 33.7 1.79 0.0531
对比例1 42.6 1.88 0.0441
对比例2 39.3 1.96 0.0499
对比例5 26.3 1.25 0.0475
表3为实施例1～4和对比例1～5各试件在修复养护28d时裂缝宽度的修复情况，表4为除对比例3和对比例4外，实施例1～4和对比例1～2、5试件在成型养护28d时的抗压强度和劈裂抗拉强度。
由表3～4可知，在所有实施例中，实施例2的裂缝最大修复宽度和平均修复宽度均为最好，但是物理性能较差，实施例1的裂缝最大修复宽度与实施例2相同，平均修复宽度只比后者少了0.01mm，即两者的裂缝修复效果相当，但是实施例1的物理性能明显好于实施例2。因此说明载菌废弃泡沫混凝土掺量为混凝土体积12％的自修复混凝土性能最佳，在实现良好的裂缝修复效果的同时，还提升了混凝土的抗拉抗压强度，改善了混凝土的脆性。实施例4与实施例1对比发现，实施例4混凝土强度略高于实施例1，但是修复效果远远不如实施例1，说明使用粒径为1.18-2.36mm的泡沫混凝土颗粒做载体时，在混凝土材料内部粒径小的泡沫混凝土颗粒被砂浆包裹的更多，从而在裂缝处泡沫混凝土暴露位点少，因此修复效果差。同时，实施例1修复效果还明显好于所有对比例，证明使用CO2碳化处理后的泡沫混凝土作为载体可以实现更好的裂缝修复效果，并且优于直接掺入微生物、使用未进行CO2碳化改性的废弃泡沫混凝土以及使用再生粗骨料和再生砖骨料为载体制备的自修复混凝土。
因此，根据实施例1的方法，使用2.36-4.75mm粒径的CO2碳化处理后废弃泡沫混凝土充当微生物载体，固载经过活性优化的微生物，载菌泡沫混凝土掺入量为混凝土体积的12％，修复养护28d时，在实现最大裂缝修复宽度的同时，还可以改善混凝土的脆性，具有良好的力学性能。
表5微生物活性指标对比
试验 微生物菌液浓度 酶活性
实施例1 OD<sub>400</sub>值为2.86 0.029μmol/min
对比例3 OD值为1.2 /未说明
对比例4 OD值为1.6 /未说明
表6载体性能对比
实验 载体 压碎值 吸水率
实施例1 CO<sub>2</sub>碳化泡沫混凝土颗粒 16.6％ 20.5％
对比例3 再生粗骨料 17.0％ 3.8％
对比例4 建筑废弃砖 19.2％ 18.6％
表5为实施例1和对比例3和对比例4所用微生物菌液的吸光度值和微生物酶活性对比，可以看出，实施例1中的菌液浓度更高，同时还具有很高的酶活性。表6为实施例1与对比例3和对比例4所用载体的压碎值和吸水率对比，可以看出，泡沫混凝土颗粒与再生粗骨料和建筑废弃砖的压碎值差别不大，均具有较好的压碎指标，但是CO2碳化泡沫混凝土颗粒的吸水率明显优于再生砖骨料和建筑废弃砖，这说明实施例1的载体对微生物具有更高的吸附效率。综合来看，实施例1不仅提高了固载微生物的酶活性，还增加了固载的微生物量，最终提升了裂缝的自修复效果。如图1所示，在修复养护28d后，实施例1试件的裂缝被大量的沉积物填补修复，通过XRD分析可知，沉积物的主要成分是方解石和球霰石两种晶体形态的碳酸钙。

Claims (7)

1.一种以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述自修复混凝土由混凝土配料、载菌泡沫混凝土和营养物质混制而成；其中，所述载菌泡沫混凝土由碳化改性的泡沫混凝土载体以及负载在泡沫混凝土载体上的胶质芽孢杆菌组成；所述泡沫混凝土载体为废弃泡沫混凝土载体，对泡沫混凝土载体改性采用如下方法，具体为：先对废弃泡沫混凝土进行破碎和筛分，选取粒径为1.18~4.75mm的泡沫混凝土，将筛选好的泡沫混凝土颗粒均匀铺开，放入碳化箱中，设置碳化箱的CO2浓度为1%~100%、碳化温度为5℃~50℃、相对湿度25%~75%，进行碳化处理，碳化处理时间为24h；碳化处理后测得泡沫混凝土表面pH值为8~9，堆积密度为702kg/m³。
2.根据权利要求1所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述载菌泡沫混凝土的掺量为混凝土体积的9%~15%。
3.根据权利要求1所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述载菌泡沫混凝土由改性后的泡沫混凝土真空吸附胶质芽孢杆菌菌液制得，具体为：将改性后的泡沫混凝土浸没在微生物菌悬液中，在真空条件下进行吸附，吸附后烘干即可。
4.根据权利要求3所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述微生物菌悬液由培养得到的微生物菌液通过离心沉淀和重悬制得。
5.根据权利要求4所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述微生物菌液将微生物菌种接种于培养基中培养后得到，具体为：使用LB液体培养基接种胶质芽孢杆菌菌种，在培养温度35℃、培养液pH为8下连续培养27.5h后得到。
6.根据权利要求1所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：所述营养物质为甲酸钙；所述营养物质掺量为胶凝材料质量的2%；胶凝材料包括水泥和粉煤灰。
7.根据权利要求1所述的以泡沫混凝土为载体的自修复混凝土，其特征在于：自修复混凝土中混凝土配料由水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、减水剂以及水组成，其中，水泥、粉煤灰、细集料、粗集料、减水剂和水的混合质量比为30：8：79：103：0.46：16。
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