專利名稱：采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及水泥基材料表面缺陷修復(fù)與防護(hù)方法，特別涉及利用一株具有碳酸鹽
礦化特性的土壤細(xì)菌，利用其生命過程中的酶化作用在水泥基材料表面礦化沉積出連續(xù)致 密的碳酸鈣層，對(duì)水泥基材料表面缺陷進(jìn)行修復(fù)與防護(hù)的方法。
背景技術(shù)：
暴露于自然界中的水泥基材料，長(zhǎng)期以來由于受到物理、化學(xué)和生物等因素的影 響，其基體的性能逐漸遭到破壞，常常會(huì)出現(xiàn)表面疏松，微裂縫等現(xiàn)象，導(dǎo)致其內(nèi)部孔隙率 增加，力學(xué)性能不斷下降。而且，隨著現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展，由環(huán)境污染造成的對(duì)水泥基材 料的侵蝕更加嚴(yán)重，因此，對(duì)水泥基材料表面缺陷進(jìn)行防護(hù)和修復(fù)顯得迫在眉睫?，F(xiàn)有技術(shù) 通常利用有機(jī)聚合物，如環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂，尤其是有機(jī)硅或有機(jī)氟類聚合物防護(hù)修復(fù) 水泥基材料表面缺陷，取得了很好的修復(fù)效果，但是這些有機(jī)高分子材料的長(zhǎng)期耐候性，與 基材相容性較差的問題正成為研究者們致力研究的方向。 生物礦化作用是自然界廣泛發(fā)生的一種作用，它是生物形成礦物的作用，是在生 物的特定部位，在一定物理化學(xué)條件下，在生物有機(jī)物質(zhì)的控制或影響下，將溶液中的離子 轉(zhuǎn)變?yōu)楣滔嗟V物的作用。幾乎每一種生物都能合成礦物，許多類型的有機(jī)體在其細(xì)胞和組 織位置形成沉積礦物，并且此過程在細(xì)胞的生命活動(dòng)中不斷得以精確重復(fù)，這些細(xì)胞包括 了細(xì)菌、海藻、原生物、乃至骨的成骨細(xì)胞。至今人類已在生物中發(fā)現(xiàn)了 30多種不同的生物 礦物，而這其中近三分之二是鈣礦，四分之一是膠體材料，碳酸鹽和磷酸鹽更是幾乎遍及了 整個(gè)生物世界。生物礦化往往能形成有序排列的、結(jié)構(gòu)非常優(yōu)異的天然有機(jī)——無機(jī)復(fù)合 材料。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供了一種利用微生物酶化作用，將菌株附著于水泥石表面生長(zhǎng)，在 水泥石表面礦化沉積出碳酸鈣層進(jìn)行覆膜防護(hù)的方法。 本發(fā)明采用如下技術(shù)方案 —種采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方法，所述修復(fù)步驟 如下 a.將巴氏芽胞桿菌Bacillus pasteurii接種至新配制的培養(yǎng)基中，在恒溫培養(yǎng) 箱中振蕩培養(yǎng)； b.將上述生長(zhǎng)至穩(wěn)定期的菌株以5000 8000rpm離心5 8min ; c.將離心后所得濃度為1. OX 109 1. OX 10"cell/mL的高濃縮菌液涂抹于試樣
表面； d.將羧甲基纖維素鈉溶液，涂抹于步驟c所得試件表面； e.再將尿素和Ca(N03)2混合溶液涂抹于步驟d所得試件表面，5 7天后試件表面即生成碳酸f丐保護(hù)層。 所述的羧甲基纖維素鈉溶液是以新配制的培養(yǎng)基作為溶劑配制，羧甲基纖維素鈉 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2% 4%。所述的Ca(N03)2和尿素混合溶液中，Ca(N03)2濃度是0. 5 2mol/ L，尿素的濃度是O. 5 2mol/L。所述新配制的培養(yǎng)基是牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中牛 肉膏的含量為3 6g/L，蛋白胨的含量為5 10g/L。所述恒溫培養(yǎng)箱溫度設(shè)定為25 37°C。所述的菌株生長(zhǎng)至穩(wěn)定期是指對(duì)照所測(cè)菌株生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，用分光光度計(jì)測(cè)定菌 液混濁度0D值混濁度與菌液濃度成正比，當(dāng)其OD值在曲線上的穩(wěn)定期范圍內(nèi)時(shí)，認(rèn)為此 時(shí)的菌株處于穩(wěn)定生長(zhǎng)期。
有益效果 1.本發(fā)明充分利用自然界微生物資源，通過生物的礦化作用，在試件表面原位礦 化沉積出一層致密的碳酸鈣層，由于表層連續(xù)致密碳酸鈣層的緊密附著，水泥石試件毛細(xì) 吸水系數(shù)均有明顯降低，覆膜后從原先的1688g/(m2 h1/2)降至298. 6g/(m2 h1/2)范圍內(nèi)， 降低幅度高達(dá)80%以上，防護(hù)效果顯著。 2.本發(fā)明的方法使用的原料來源廣泛，資源豐富，而且環(huán)境清潔，成本低廉，工藝簡(jiǎn)單。 3.由于生成的碳酸鈣屬于無機(jī)材料，具有較好的耐候性，與基材有良好的相容性， 能自動(dòng)平衡基材內(nèi)部各種應(yīng)力(溫度應(yīng)力、結(jié)晶應(yīng)力等)，并且防護(hù)材料失效后對(duì)基材造成 的影響較小。 4.同時(shí)，由于所得碳酸鈣層是在有機(jī)質(zhì)調(diào)控下生成，比一般化學(xué)法制得的碳酸鈣 具有更優(yōu)良的性能，對(duì)基材起到有效的保護(hù)。 5.本發(fā)明通過采用羧甲基纖維素鈉固載菌株和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，涂刷于試件表面使其附 著生長(zhǎng)，不僅簡(jiǎn)化了工藝操作，而且同時(shí)優(yōu)化微環(huán)境，保護(hù)胞內(nèi)酶活性，使得碳酸鈣能在較 長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在試樣表面與有機(jī)質(zhì)和殘余載體交聯(lián)緩慢結(jié)晶生長(zhǎng)，其與基材結(jié)合更為緊密，覆 膜防護(hù)效果顯著。


圖1為毛細(xì)吸水系數(shù)測(cè)定試驗(yàn)裝置示意圖。
圖2為水泥基材料表面礦化形成的碳酸鈣覆膜層。
圖3為水泥基材料表面覆膜層物質(zhì)XRD分析圖譜。
圖4為菌株生長(zhǎng)標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明 采用普通硅酸鹽水泥P032. 5，水灰比0. 45，成型水泥凈漿，試樣尺寸 30mmX 30mmX 30mrn，室溫養(yǎng)護(hù)7天后待覆膜試驗(yàn)。將菌株巴氏芽胞桿菌Baci 1 luspasteurii 接種至裝有含尿素底物的培養(yǎng)基上，培養(yǎng)基成分見表1，在25 37t:下進(jìn)行振蕩培養(yǎng)，16 24小時(shí)后當(dāng)菌株生長(zhǎng)至穩(wěn)定期時(shí)，將菌液以5000 8000rpm離心5 8min，將所得的高濃 縮菌液涂抹于試樣表面，隨后將羧甲基纖維素鈉溶液，尿素和Ca(N03)2混合溶液分別先后 涂抹于試件表面，通過菌株在其生長(zhǎng)繁殖過程中產(chǎn)生的脲酶，不斷分解微環(huán)境中的尿素，形
4成C032—，同時(shí)菌體細(xì)胞膜界面處帶負(fù)電荷的SM(水可溶有機(jī)質(zhì))不斷螯合環(huán)境中的&2+，誘 導(dǎo)出局部的晶體陰離子(C032—)濃度進(jìn)一步增大，從而吸引更多的Ca"，直到晶體前驅(qū)物濃 度增大到利于核化，不斷緩慢礦化沉積出CaC03顆粒，附著于混凝土表面，從而達(dá)到表面防 護(hù)的作用，整個(gè)反應(yīng)如式(1) 式(3)所示。
(NH2) 2C0+2H20 = C032—+2NH4+ (1)
Cell+Ca2+ = Cell_Ca2+ (2)
Cell-Ca2++C032— = Cell_CaC03 (3) 通過測(cè)定水泥石試件毛細(xì)吸水系數(shù)表征其覆膜防護(hù)效果。將水泥石試件置于烘箱 中7(TC烘干，直至其24h內(nèi)質(zhì)量損失率低于O. 1%為止，取出，稱重后將其4個(gè)側(cè)面用石蠟 密封，以確保水泥石在毛細(xì)吸水過程為一維吸水。在平底容器中放入支架，將水泥石試件覆 膜面朝下置于支架上，往容器中緩慢注入水，直至液面高出試塊底面(lO士l)mm，如圖l所 示，待不同時(shí)間間隔取出，迅速擦干試件表面水分，稱重，記錄其質(zhì)量變化情況，試件單位吸 水量可如式(4)計(jì)算表征，因此試件的毛細(xì)吸水系數(shù)可因其線性相關(guān)而計(jì)算斜率得出。 2 = A:V7 ( 4 ) 式中，Q——試件吸水量，g; A——試件吸水表面積，m2 ; t——試件吸水時(shí)間，h ; k——試件毛細(xì)吸水系數(shù)，g/ (m2 h1/2) 表1培養(yǎng)基成分
營(yíng)養(yǎng)物質(zhì) 用量 主要作用
蛋白胨 5.0g 提供氮源、碳源(能源)、生長(zhǎng)因子
肉膏 3.0g 提供氮源、碳源(能源)、無機(jī)鹽、生長(zhǎng)因子
蒸餾水 1000.0ml 提供水分 實(shí)施例1 將菌株巴氏芽胞桿菌Bacillus pasteurii接種至裝有含尿素底物的培養(yǎng)基上， 在25 37t:下進(jìn)行振蕩培養(yǎng)，16 24小時(shí)后當(dāng)菌株濃度達(dá)到5X108cell/mL時(shí)，將菌液 以5000 8000rpm離心5 8min，獲得高濃縮菌液濃度為9. 8 X 10lclcell/mL，涂抹于試樣 表面，隨后將2%質(zhì)量分?jǐn)?shù)的羧甲基纖維素鈉溶液，以及1. Omol/L的尿素和Ca(N03)2混合 溶液分別先后涂抹于試件表面進(jìn)行覆膜實(shí)驗(yàn)，7d后水泥石試件表面均出現(xiàn)明顯連續(xù)的白色 沉積附著層(如圖2所示)，與水泥石表面結(jié)合緊密，取樣經(jīng)XRD分析證實(shí)為方解石，如圖3 所示。由于采用了羧甲基纖維素鈉固載菌株和營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)，涂刷于試件表面使其附著生長(zhǎng)，不 僅簡(jiǎn)化了工藝操作，而且同時(shí)優(yōu)化微環(huán)境，保護(hù)胞內(nèi)酶活性，使得碳酸鈣能在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)在 試件表面與有機(jī)質(zhì)和殘余載體交聯(lián)緩慢結(jié)晶生長(zhǎng)，其與基材結(jié)合更為緊密，覆膜防護(hù)效果 顯著。試件覆膜后毛細(xì)吸水系數(shù)由覆膜前的1688g/(m2*h1/2)降低至298.6g/(m、h力)，覆 膜防護(hù)效果明顯。
權(quán)利要求
一種采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方法，其特征在于修復(fù)步驟如下a.將巴氏芽胞桿菌Bacillus pasteurii接種至新配制的培養(yǎng)基中，在恒溫培養(yǎng)箱中振蕩培養(yǎng)；b.將上述生長(zhǎng)至穩(wěn)定期的菌株以5000～8000rpm離心5～8min；c.將離心后所得濃度為1.0×109～1.0×1011cell/mL的高濃縮菌液涂抹于試樣表面；d.將羧甲基纖維素鈉溶液，涂抹于步驟c所得試件表面；e.再將尿素和Ca(NO3)2混合溶液涂抹于步驟d所得試樣表面，5～7天后試件表面即生成連續(xù)致密堅(jiān)硬的碳酸鈣保護(hù)層。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方 法，其特征在于所述的羧甲基纖維素鈉溶液是以新配制的培養(yǎng)基作為溶劑配制，羧甲基纖 維素鈉質(zhì)量分?jǐn)?shù)為2 % 4 % 。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方 法，其特征在于所述的Ca(N03)2和尿素混合溶液中，Ca(N03)2濃度是0. 5 2mol/L，尿素的 濃度是0. 5 2mol/L。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的 方法，其特征在于所述新配制的培養(yǎng)基是牛肉膏蛋白胨培養(yǎng)基，培養(yǎng)基中牛肉膏的含量為 3 6g/L，蛋白胨的含量為5 10g/L。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方 法，其特征在于所述恒溫培養(yǎng)箱溫度設(shè)定為25 37°C。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方 法，其特征在于所述的菌株生長(zhǎng)至穩(wěn)定期是指對(duì)照所測(cè)菌株生長(zhǎng)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，用分光光度 計(jì)測(cè)定菌液混濁度OD值混濁度與菌液濃度成正比，當(dāng)其OD值在曲線上的穩(wěn)定期范圍內(nèi) 時(shí)，認(rèn)為此時(shí)的菌株處于穩(wěn)定生長(zhǎng)期。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種采用羧甲基纖維素鈉固載微生物修復(fù)水泥基材料缺陷的方法，利用微生物酶化作用，將菌株附著于水泥石表面生長(zhǎng)，在水泥石表面礦化沉積出碳酸鈣層進(jìn)行覆膜防護(hù)的方法。采用本發(fā)明方法使水泥石表面生成連續(xù)致密堅(jiān)硬的碳酸鈣保護(hù)層，且與基材表面結(jié)合緊密。由于表層連續(xù)致密碳酸鈣層的緊密附著，水泥石試件毛細(xì)吸水系數(shù)均有明顯降低，覆膜后從原先的1688g/(m2·h1/2))降至298.6g/(m2·h1/2)范圍內(nèi)，降低幅度高達(dá)80％以上，防護(hù)效果顯著。不僅資源豐富，而且環(huán)境清潔，成本低廉，工藝簡(jiǎn)單。
文檔編號(hào)C04B41/50GK101768013SQ20101001791
公開日2010年7月7日 申請(qǐng)日期2010年1月15日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月15日
發(fā)明者王劍云, 王瑞興, 錢春香 申請(qǐng)人:東南大學(xué)