利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法
【專利摘要】利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法，1.將產(chǎn)脲酶微生物單個菌落接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中發(fā)酵培養(yǎng)，得到菌液；2.對灌漿模具進行閉水處理，灌入砂粒，封閉灌漿模具，預留進出漿口；3.以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L菌液的速度把菌液由進漿口灌入砂樣，直至出漿口流出呈黃色的菌液；4.以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo1/L乙酸鈣固定液；5.以每立方米砂樣體積每分鐘灌入2-5L的速度灌入反應溶液48h；6.以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo1/L乙酸鈣固定液；7.重復步驟3到步驟6過程多個循環(huán)；采用本發(fā)明方法制備的微生物砂漿，可以在3-8天內(nèi)到達需要的強度，并且規(guī)避了氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)造成的危害。
【專利說明】利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法
【技術(shù)領域】
[0001]本發(fā)明屬于高強微生物砂漿制備【技術(shù)領域】，具體涉及利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]利用產(chǎn)脲酶微生物制備而成的高強微生物砂漿，一個重要的應用是文物古建的加固，這一技術(shù)也成為了混凝土裂縫修復的一個新途徑。
[0003]混凝土作為當代最主要的建筑材料，廣泛的應用于工業(yè)與民用建筑、水利、交通及海港等工程中，但是由于其抗拉強度較低，混凝土表面和內(nèi)部容易產(chǎn)生微裂縫，外界水和侵蝕性介質(zhì)將不斷從材料表面缺陷逐漸滲入，銹蝕鋼筋，進一步影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久和安全性能。傳統(tǒng)的混凝土裂縫修復材料有著各自的不足之處，常用的環(huán)氧樹脂、聚氨酯等為有機材料，對環(huán)境有一定的污染，并且其抗老化性能較差，應力、應變性能和導熱系數(shù)等基本性質(zhì)與水泥基材料相差較大，容易產(chǎn)生二次開裂。而水泥砂漿等材料通常用于表面防護，內(nèi)部裂縫并未被有效封堵。
[0004]利用產(chǎn)脲酶微生物制備高強度微生物砂漿，其與水泥基材料有著良好的相容性和界面強度，且耐久性良好；修復使用的材料(菌液和營養(yǎng)鹽)為流動性強的液體，滲入性能強；生成于基體裂縫內(nèi)的產(chǎn)物無毒無害，具有環(huán)境友好性。
[0005]但是，目前高強微生物砂漿的制備主要采用氯化鈣作為鈣源，但氯離子進入混凝土裂縫后，會引起鋼筋脫鈍和電化學腐蝕，嚴重影響混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性，因此為氯化鈣找到一種合適的替代鈣源，成為了該技術(shù)應用于混凝土結(jié)構(gòu)領域亟需解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不`足，本發(fā)明的目的在于提供一種利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法，采用本發(fā)明方法制備的微生物砂漿，可以在3-8天內(nèi)到達需要的強度，并且規(guī)避了氯離子對混凝土結(jié)構(gòu)造成的危害。
[0007]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
[0008]利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法，采用乙酸鈣作為鈣源，具體包括如下步驟:
[0009]步驟1:將產(chǎn)脲酶微生物巴氏芽孢八疊球菌Sporosarcina pasteurii單個菌落接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中，于25°C _37°C條件下發(fā)酵培養(yǎng)12-60小時得到菌液；
[0010]步驟2:對灌漿模具進行閉水處理，灌入粒徑為200-380微米粒徑的砂粒，封閉灌漿模具，預留進出漿口 ；
[0011]步驟3:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L菌液的速度把步驟I所得菌液由進漿口灌入砂樣，直至出漿口流出淡黃色的菌液；
[0012]步驟4:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，所需體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ；[0013]步驟5:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入2-5L的速度灌入反應溶液24_48h，反應溶液是濃度為0.5-1.0mol/L的尿素和乙酸鈣混合溶液，尿素和乙酸鈣摩爾濃度相同；
[0014]步驟6:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，所需體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ；
[0015]步驟7:重復步驟3到步驟6過程多個循環(huán)。
[0016]步驟I所述的巴氏芽孢八疊球菌Sporosarcina pasteurii來自于美國模式培養(yǎng)物集存庫American type culture collection,編號為ATCC11859 ;呈橢圓桿狀,有芽孢,無莢膜，革蘭氏陽性。在NH4-YE (酵母提取物20g/L，硫酸銨10g/L)平板上，菌落呈圓形，表面濕潤光滑，邊緣整齊，菌落大小為l_2mm，菌落呈淡黃色。該菌在4°C _37°C的培養(yǎng)基溫度及PH7-9.5的范圍下均能生長。
[0017]步驟I所述的發(fā)酵培養(yǎng)基包括酵母提取物10_20g/L，硫酸銨10g/L，pH為7_9.5。
[0018]本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點:
[0019]1、反應溶液中尿素在先期灌入的微生物所產(chǎn)生的脲酶的作用下，水解為銨根離子和二氧化碳，同時使細菌周圍pH升高，促使生成碳酸鈣沉淀，膠凝裂縫中填充的砂粒，形成整體強度，隨著灌漿循環(huán)次數(shù)的增加，砂粒體系內(nèi)的碳酸鈣含量增加，強度隨之增加，并且強度是可以控制的。
[0020]2、本發(fā)明進行微生物砂漿制備的時間短、效果好，在3-8天內(nèi)即可得到單軸抗壓強度平均值為28.SMPa的微生物砂漿。在相同條件下，單軸抗壓強度較現(xiàn)有微生物砂漿制備技術(shù)提高了 40%。
[0021]3、本發(fā)明制備的微生物砂漿的孔徑分布更加均勻，主要集中分布在0.002-20um之間。砂漿中碳酸鈣結(jié)晶的形貌為文石特有的針狀。
[0022]4、利用乙酸鈣作為鈣源，替代了現(xiàn)有微生物砂漿制備技術(shù)中的氯化鈣，為微生物砂漿在混凝土領域的應用奠定了基礎。
[0023]5、本發(fā)明中所利用微生物為自然環(huán)境(土壤)中本身存在的微生物或其中某種微生物的培養(yǎng)物，營養(yǎng)物質(zhì)也為天然物質(zhì)，不會對環(huán)境造成二次污染，所用的營養(yǎng)液的成本低。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為微生物灌漿裝置示意圖。
[0025]圖2為材料干密度與單軸抗壓強度的關(guān)系圖。
[0026]圖3為材料單軸抗壓測試的應力應變曲線。
[0027]圖4為材料干密度與吸水率的關(guān)系圖。
[0028]圖5為微生物砂衆(zhòng)壓萊試驗結(jié)果不意圖,其中:圖5a為孔隙分布不意圖，圖5b為孔隙累計分布示意圖。
[0029]圖6為微生物砂漿形成的膠凝體系樣品SEM掃描圖，其中圖6a為氯化鈣為鈣源的SEM掃描圖，圖6b為硝酸鈣為鈣源的SEM掃描圖，圖6c為乙酸鈣為鈣源的SEM掃描圖。
【具體實施方式】
[0030]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明作進一步詳細說明。[0031]本實施例利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法，采用乙酸鈣作為鈣源，具體包括如下步驟:
[0032]步驟1:配制發(fā)酵培養(yǎng)基:酵母提取物20g/L，硫酸按10g/L，pH為9，將100ml發(fā)酵培養(yǎng)基裝入500ml培養(yǎng)瓶中滅菌,將產(chǎn)脲酶微生物巴氏芽孢八疊球菌Sporosarcinapasteurii單個菌落接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中，在30°C溫度下發(fā)酵培養(yǎng)，，轉(zhuǎn)速為150rpm,培養(yǎng)18小時收集菌液；
[0033]步驟2:對灌漿模具進行閉水處理，灌入粒徑為200-380微米粒徑的砂粒，封閉灌漿模具，預留進出漿口，如圖1所示，圖中試管尺寸單位為mm ；
[0034]步驟3:如圖1所示，通過蠕動泵以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L菌液的速度把步驟I所得菌液由進漿口灌入砂樣，直至出漿口流出淡黃色的菌液；
[0035]步驟4:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，乙酸鈣固定液體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ；
[0036]步驟5:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入2-5L的速度灌入反應液24_48h，反應液是濃度為0.5-1.0mol/L的尿素和乙酸鈣混合溶液(為了比較，同時分別以氯化鈣和硝酸鈣為鈣源進行對比試驗)，尿素和乙酸鈣(氯化鈣/硝酸鈣)摩爾濃度相同；
[0037]步驟6:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，乙酸鈣固定液體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ；
[0038]步驟7:重復步驟3到步驟6過程3個循環(huán)。
[0039]對所形成微生物砂漿的分析
`[0040]1、力學性能分析
[0041]對這些試樣進行單軸抗壓測試。正如水泥砂漿強度和其水灰比密切相關(guān)一樣，微生物灌漿形成材料的強度與體系內(nèi)碳酸鈣的含量有關(guān)，在灌漿開始前準備的砂樣，其初始密度是相同的，所以用灌漿結(jié)束后的去除其中可溶物烘干的干密度值，可以表示各樣品的碳酸鈣含量，其與單軸抗壓強度和干密度的關(guān)系如圖2所示?？梢钥吹?，材料的單軸抗壓強度隨其干密度提高而增大。需要注意的是，乙酸鈣、氯化鈣和硝酸鈣三種鈣源得到的樣品干密度的均值幾乎相同，約為2.33g/cm3，但是單軸抗壓強度的平均值卻有著明顯的區(qū)別，以乙酸鈣為鈣源的樣品強度平均值(28.8MPa)較氯化鈣和硝酸鈣樣品提高了 40%。
[0042]材料剛度隨其單軸抗壓強度提高而增大，鈣源為氯化鈣和乙酸鈣樣品的割線模量E50值分布在2.0-4.7GPa之間，其中的3個乙酸鈣樣品的應力應變?nèi)€如圖3所示。
[0043]2、吸水性能分析
[0044]材料吸水性能測試結(jié)果如圖4所示，可以看出樣品吸水率隨著干密度的增大而減小，吸水率在2.5%-5.5%之間。在砂樣中，MICP生成的碳酸鈣將砂顆粒粘結(jié)從而產(chǎn)生強度的同時，也有效地填充了砂樣的孔隙，使得孔隙率降低，吸水性能降低。但是同樣可以發(fā)現(xiàn)，樣品的吸水率與鈣源并無明顯的聯(lián)系。
[0045]3、孔隙結(jié)構(gòu)分析
[0046]壓汞實驗結(jié)果如圖5所示，以乙酸鈣為鈣源的微生物砂漿的孔徑分布更均勻，主要集中在0.002-20um之間。如圖5(a)所示，與其他兩種鈣源樣品相比，乙酸鈣樣品在
0.002-lum的孔徑范圍內(nèi)有著較多的分布，該范圍內(nèi)的峰值達到最可幾孔徑峰值的50%。
[0047]4、微觀形貌分析[0048]對微生物砂漿進行SEM掃描，結(jié)果如圖6所示，圖6a、圖6b、圖6c分別是以氯化鈣、硝酸鈣、乙酸鈣為鈣源的微生物砂漿?？梢钥闯?，氯化鈣為鈣源的樣品中，砂顆粒中間填充了大量的碳酸鈣結(jié)晶，沉積晶體表現(xiàn)為方解石的六面體狀，且晶體表面較平滑。而硝酸鈣為鈣源的樣品中的碳酸鈣晶體除了標準的六面體形貌之外，較多的晶體表面并不平滑，由很多長約IOum的小棱柱狀晶體組成。而以乙酸鈣為鈣源的樣品中，碳酸鈣的形貌表現(xiàn)為文石特有的針狀，密集的包裹在砂顆粒的周圍，針狀碳酸鈣的長度約為30um。
[0049]5、XRD 分析
[0050]對其微生物砂漿的膠凝礦物進行半定量XRD分析，結(jié)果顯示:以氯化鈣和硝酸鈣為鈣源生成的礦物，碳酸鈣晶型為方解石，主峰2=29.395°。而以乙酸鈣為鈣源的礦物中，文石約占全部碳酸鈣重量的88%，方解石約占12%，文石的主峰2 Θ =26.223°。
【權(quán)利要求】
1.利用產(chǎn)脲酶微生物和乙酸鈣制備高強度微生物砂漿的方法，其特征在于:采用乙酸鈣作為鈣源，具體包括如下步驟: 步驟1:將產(chǎn)脲酶微生物巴氏芽孢八疊球菌Sporosarcina pasteurii單個菌落接種于發(fā)酵培養(yǎng)基中，于25°C _37°C條件下發(fā)酵培養(yǎng)12-60小時得到菌液； 步驟2:對灌漿模具進行閉水處理，灌入粒徑為200-380微米粒徑的砂粒，封閉灌漿模具，預留進出漿口 ； 步驟3:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L菌液的速度把步驟I所得菌液由進漿口灌入砂樣，直至出漿口流出淡黃色的菌液； 步驟4:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，所需體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ； 步驟5:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入2-5L的速度灌入反應溶液24-48h，反應溶液是濃度為0.5-1.0mol/L的尿素和乙酸鈣混合溶液，尿素和乙酸鈣摩爾濃度相同； 步驟6:以每立方米砂樣體積每分鐘灌入20-40L的速度灌入0.05-0.1mo 1/L乙酸鈣固定液，所需體積為砂樣孔隙體積的1/10-1/5 ； 步驟7:重復步驟3到步驟6過程多個循環(huán)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I所述的巴氏芽孢八疊球菌Sporosarcina pasteurii來自于美國模式培養(yǎng)物集存庫American type culturecollection，編號為ATCC11859 ;呈橢圓桿狀，有芽孢，無莢膜，革蘭氏陽性。在NH4-YE (酵母提取物20g/L，硫酸銨10g/L)平板上，菌落呈圓形，表面濕潤光滑，邊緣整齊，菌落大小為l-2mm，菌落呈淡黃色。該菌在4°C _37°C的培養(yǎng)基溫度及pH7_9.5的范圍下均能生長。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于:步驟I所述的發(fā)酵培養(yǎng)基包括酵母提取物 10-20g/L，硫酸銨 10g/L, pH 為 7-9.5。
【文檔編號】C04B24/00GK103755195SQ201410008320
【公開日】2014年4月30日 申請日期:2014年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月8日
【發(fā)明者】郭紅仙, 程曉輝, 化彬, 張越 申請人:清華大學