一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法。將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌的濃縮液和酵母菌粉(按質(zhì)量比50～60:1)混合，固載到同一載體上；將底物和營養(yǎng)物質(zhì)混合(按質(zhì)量比30～40:1)，固定在另一組載體上。然后以載體為輕骨料(載體質(zhì)量占砂漿總質(zhì)量的17～23％)，添加水泥、沙子和水，均勻攪拌，成型試件。經(jīng)過標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)后，對(duì)試件制作裂縫，在25～30℃恒溫水浴條件下，通入空氣養(yǎng)護(hù)修復(fù)。試件的修復(fù)過程利用混凝土無損檢測(cè)技術(shù)(超聲波聲時(shí))進(jìn)行監(jiān)測(cè)，修復(fù)結(jié)果通過透水試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。結(jié)果表明：修復(fù)21d后，裂縫完全修復(fù)。與其他微生物法修復(fù)水泥基材料裂縫相比，極大地改善了裂縫的修復(fù)速度和修復(fù)深度。
【專利說明】一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微生物學(xué)和土木工程材料領(lǐng)域的交叉科學(xué)技術(shù)，涉及到一種利用微生物技術(shù)使裂縫快速自修復(fù)的水泥基材料制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002]水泥基材料，尤其混凝土，由于在長期的使用過程中以及周圍復(fù)雜環(huán)境的影響下，會(huì)產(chǎn)生微小裂縫等局部損傷，輕者會(huì)降低結(jié)構(gòu)的使用壽命，重則危及結(jié)構(gòu)的安全。當(dāng)前，對(duì)水泥基材料裂縫的被動(dòng)修復(fù)，后期修復(fù)，主要采用加固修補(bǔ)、錨固、粘結(jié)、澆注以及陰極保護(hù)等。水泥基材料自修復(fù)技術(shù)主要有以下幾種:中空纖維或膠囊固載具有修復(fù)特性的高分子聚合物；形狀記憶材料施加收縮應(yīng)力閉合裂縫；外摻礦物摻合料提高礦物反應(yīng)程度以提高混凝土缺陷修復(fù)效率；微生物誘導(dǎo)礦化沉積修復(fù)混凝土裂縫。水泥基材料的自修復(fù)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土裂縫實(shí)現(xiàn)主動(dòng)修復(fù)、即時(shí)修復(fù)，提高混凝土修復(fù)后的力學(xué)性能和耐久能力。
[0003]目前，自修復(fù)水泥基材料的研究取得了一定的進(jìn)展，但仍有很多問題亟需解決。例如微膠囊釋放的可控性，裂縫自修復(fù)的時(shí)效性，自修復(fù)的次數(shù)，自修復(fù)的深度和速度，不同齡期水泥基材料的自修復(fù)，自修復(fù)材料在實(shí)際工程應(yīng)用的可行性。本發(fā)明采用微生物、底物和營養(yǎng)物質(zhì)雙固載的方法，引入充足的外源CO2，提供了一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料及其制備方法。與傳統(tǒng)的微生物法自修復(fù)相比，極大地改善了材料裂縫的修復(fù)速度和修復(fù)深度。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]技術(shù)問題:本發(fā)明的目的是提供一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法。
[0005]技術(shù)方案:本發(fā)明的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法為:
[0006]I)用清水分別淘洗載體A和載體B，洗凈載體表面吸附的雜質(zhì)，烘干備用；
[0007]2)將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌接種至培養(yǎng)基中培養(yǎng)，并將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌液濃縮至15?17 個(gè) /mL ；
[0008]3)將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌濃縮液和酵母菌粉按照質(zhì)量比50?60:1均勻混合，再添加至載體A中，在30°C培養(yǎng)箱里振蕩培養(yǎng)6?10小時(shí)，使產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌和酵母菌粉充分固載；濾掉溶液，收集處理后的載體A并干燥；
[0009]4)將底物、營養(yǎng)物質(zhì)和去離子水按質(zhì)量比30?40:1:100均勻混合，再添加載體B,室溫下攪拌8?12小時(shí)；濾掉溶液，收集處理后的載體B并干燥；
[0010]5)以處理后的載體A和載體B的混合載體為輕骨料，混合載體質(zhì)量占砂漿總質(zhì)量的17?23%，按照水灰比0.5?0.6，添加水泥、沙子和水，攪拌成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
[0011]所述的載體A、載體B為陶粒，粘土或沸石中的一種或幾種；載體A與載體B相同或不相同。
[0012]所述的產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌為膠質(zhì)芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌或黑曲霉中的一種或幾種。
[0013]所述的底物為氯化鈣、硝酸鈣、乳酸鈣、甲酸鈣或乙酸鈣中的一種或幾種的混合。
[0014]所述的營養(yǎng)物質(zhì)為葡萄糖、蔗糖或淀粉的一種或幾種。
[0015]所述的產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌濃縮液、酵母菌粉和載體A的質(zhì)量比為50?60:1:80?100。
[0016]所述的底物、營養(yǎng)物質(zhì)、去離子水和載體B的質(zhì)量比為30?40:1:100:200?210。
[0017]所述的載體A和載體B的質(zhì)量比為1.1?1.5:1。
[0018]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0019]1、本發(fā)明采用細(xì)菌、底物和營養(yǎng)物質(zhì)分別固載的方式，長期有效的保護(hù)了細(xì)菌，對(duì)材料早期和后期出現(xiàn)的疲勞損傷均有良好的修復(fù)作用。通過細(xì)菌產(chǎn)生的碳酸酐酶催化CO2與底物反應(yīng)，加速了碳酸鹽礦化沉積。養(yǎng)護(hù)修復(fù)21天，便可實(shí)現(xiàn)裂縫的完全修復(fù)。較現(xiàn)有微生物法修復(fù)水泥基材料裂縫，該法有效地提高了對(duì)試件裂縫的修復(fù)速度和持久性。
[0020]2、與已有的微生物法修復(fù)水泥基材料一單一陶粒固載膠質(zhì)芽孢桿菌相比，將細(xì)菌、底物和營養(yǎng)物質(zhì)分別固載，使得底物和營養(yǎng)物質(zhì)的儲(chǔ)存和釋放更為有效。這種固載不會(huì)受到裂縫開裂深度的影響，可以為試件內(nèi)部細(xì)菌的礦化作用提供充足的營養(yǎng)物質(zhì)，使試件由內(nèi)到外可以實(shí)現(xiàn)全方位，深層次的自修復(fù)。
[0021]3、與非成礦類修復(fù)水泥基材料裂縫相比，微生物誘導(dǎo)礦化產(chǎn)生的碳酸鈣以方解石形式存在，性質(zhì)穩(wěn)定，與水泥基材料的相容性較好，改善了材料的耐久性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是采用超聲波聲時(shí)變化監(jiān)測(cè)水泥基材料裂縫的自修復(fù)過程;A組為細(xì)菌不固載，底物不固載出組為細(xì)菌不固載，底物固載；C組為細(xì)菌固載，底物不固載；D組為細(xì)菌固載，底物固載。
[0023]圖2是采用滲透系數(shù)變化表征水泥基材料裂縫的自修復(fù)結(jié)果；A組為細(xì)菌不固載，底物不固載出組為細(xì)菌不固載，底物固載；C組為細(xì)菌固載，底物不固載山組為細(xì)菌固載，底物固載。
[0024]圖3是裂縫填充物、細(xì)菌礦化產(chǎn)物及細(xì)菌的XRD圖譜對(duì)比；a為裂縫填充物；b為細(xì)菌礦化產(chǎn)物；c為細(xì)菌。
[0025]圖4是裂縫填充物顆粒之間的堆積排列情況。
[0026]圖5為修復(fù)前各試件裂縫的初始狀態(tài);A組為細(xì)菌不固載，底物不固載；B組為細(xì)菌不固載，底物固載；C組為細(xì)菌固載，底物不固載；D組為細(xì)菌固載，底物固載。
[0027]圖6為修復(fù)21d時(shí)各試件裂縫的修復(fù)情況汸組為細(xì)菌不固載，底物不固載；B組為細(xì)菌不固載，底物固載；C組為細(xì)菌固載，底物不固載；D組為細(xì)菌固載，底物固載。

【具體實(shí)施方式】
[0028]本發(fā)明提供一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，具體操作如下:
[0029](I)篩取粒徑為0.3?4.75mm的載體2000?3000g，用自來水淘洗2?3遍，烘干備用。
[0030](2)配制2000?3000mL液體培養(yǎng)基。以膠質(zhì)芽孢桿菌為例，每升培養(yǎng)基含有蔗糖8 ?12g、Na2HPO4.12H20 2 ?3g、MgSO4 0.4 ?0.6g、CaCO3 0.5 ?1.5g、KCl 0.1 ?0.2g、(NH4)2SO4 0.4?0.6g、酵母提取物0.2?0.4g，并調(diào)節(jié)pH為7±0.5。將產(chǎn)碳酸酐酶微生物接種至滅菌后的培養(yǎng)基中，在30±0.5°C條件下培養(yǎng)36?48小時(shí)，經(jīng)過高速冷凍離心機(jī)離心,轉(zhuǎn)速為4000?6000r/min，將菌液濃縮至15?16個(gè)/mL ；
[0031](3)將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌濃縮液200?240g，酵母菌粉4g均勻混合，添加到320?400g的載體A中。在30°C培養(yǎng)箱里振蕩培養(yǎng)6?10小時(shí)，使產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌和酵母菌粉充分固載到載體A上，過濾，收集載體并干燥。將底物60?80g，營養(yǎng)物質(zhì)2g均勻混合，溶于10g去離子水中，添加到400?420g的載體B中。在室溫下攪拌8?12小時(shí)，充分固載到載體B上。過濾，收集載體并干燥。
[0032](4)以載體為輕骨料，按照水灰比0.5?0.6，添加水泥、沙子和水，攪拌均勻，制作試件。其中，載體A的質(zhì)量為220?300g，載體B的質(zhì)量為200g，水泥用量為990g，沙子用量為460g，水的用量為495g。對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28天。
[0033](5)對(duì)上述試件制作裂縫。在30°C恒溫水浴條件下，持續(xù)通入空氣養(yǎng)護(hù)修復(fù)。修復(fù)過程通過超聲波聲時(shí)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，修復(fù)結(jié)果通過透水試驗(yàn)進(jìn)行檢測(cè)。
[0034]為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合具體實(shí)施例進(jìn)一步闡述本發(fā)明的內(nèi)容，但本發(fā)明的內(nèi)容不僅僅局限于下面的實(shí)施例。
[0035]實(shí)施例1:
[0036](I)分別篩取粒徑為0.3?4.75mm的某型號(hào)天然斜發(fā)沸石粉500g和陶粒500g，用自來水淘洗2遍，烘干備用；
[0037](2)稱取蔗糖 20g、Na2HPO4.12H20 5g、MgSO4 lg、CaCO3 2g、KC10.2g、(NH4)2SO4Ig'酵母提取物0.5g，溶于2000mL去離子水中，調(diào)整pH為7±0.5，配制成液體培養(yǎng)基，在120°C高溫調(diào)節(jié)下滅菌20分鐘。將膠質(zhì)芽孢桿菌接種至冷卻后的培養(yǎng)基中，在30±0.5°C條件下振蕩培養(yǎng)48小時(shí)，振蕩頻率為170r/min。將上述菌液經(jīng)過高速冷凍離心機(jī)離心15分鐘濃縮至15?16個(gè)/mL,轉(zhuǎn)速為6000r/min ；
[0038](3)稱取酵母菌粉4g和上述細(xì)菌濃縮液200g，均勻混合于400g的沸石粉上，在30°C培養(yǎng)箱里振蕩培養(yǎng)6小時(shí)，使膠質(zhì)芽孢桿菌和酵母菌粉充分固載到處理后的沸石粉上，濾掉溶液，收集沸石粉并干燥。稱取乳酸鈣80g，葡萄糖2g，溶于10mL的去離子水中，然后添加到400g處理好的陶粒中，室溫下攪拌8小時(shí)，充分固載。濾掉溶液,收集陶粒并干燥。
[0039](4)均勻混合一定質(zhì)量的上述兩種載體，按照水灰比W/C = 0.6，添加水泥、沙子和水，攪拌均勻，制成水泥基材料試件。其中，沸石粉的質(zhì)量為220g，陶粒的質(zhì)量為200g，水泥用量為990g，沙子用量為460g，水的用量為495g。對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。
[0040](5)人為地對(duì)試件制作裂縫，并置于30°C恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)修復(fù)。連續(xù)修復(fù)21d，裂縫修復(fù)完全。
[0041]實(shí)施例2:
[0042](I)篩取粒徑為0.3?4.75mm的陶粒lOOOg，用自來水淘洗2遍，烘干備用；
[0043](2)稱取蔗糖 60g，NaNO3 6g，MgSO4.7H20 lg, KCl lg, FeSO4.4H20 0.02g，K2HPO42g，瓊脂30g，溶于2000mL去離子水中，調(diào)整pH為6?6.5，配制成液體培養(yǎng)基，在120°C高溫調(diào)節(jié)下滅菌20分鐘。將黑曲霉接種至冷卻后的培養(yǎng)基中，在30±0.5°C條件下振蕩培養(yǎng)36小時(shí)，振蕩頻率為170r/min。將上述菌液經(jīng)過高速冷凍離心機(jī)離心15分鐘濃縮至15?16 個(gè) /mL，轉(zhuǎn)速為 6000r/min ；
[0044](3)稱取酵母菌粉4g和上述細(xì)菌濃縮液200g，均勻混合于400g的陶粒上，在30°C培養(yǎng)箱里振蕩培養(yǎng)6小時(shí)，使黑曲霉和酵母菌粉充分固載到處理后的沸石粉上，濾掉溶液，收集陶粒并干燥。稱取硝酸鈣100g，淀粉5g，溶于10mL的去離子水中，然后添加到400g處理好的陶粒中，室溫下攪拌8小時(shí)，充分固載。濾掉溶液，收集陶粒并干燥。
[0045](4)以上述陶粒為輕骨料，按照水灰比W/C = 0.5，添加水泥、沙子和水，攪拌均勻，制成水泥基材料試件。其中，陶粒的質(zhì)量為400g，水泥用量為990g，沙子用量為460g，水的用量為495g。對(duì)試件進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)28d。
[0046](5)人為地對(duì)試件制作裂縫，并置于30°C恒溫水浴箱中養(yǎng)護(hù)修復(fù)。連續(xù)修復(fù)21d后，裂縫修復(fù)完全。
[0047]圖1為未采用此修復(fù)方法(對(duì)照組)和采用此修復(fù)方法(試驗(yàn)組)試件的超聲波聲時(shí)隨修復(fù)時(shí)間(破壞前3d、破壞后0d、修復(fù)3d、修復(fù)7d、修復(fù)14d、修復(fù)21d)的變化情況。米用此修復(fù)方法修復(fù)21d,超聲波聲時(shí)恢復(fù)至試件破壞前,表明試件修復(fù)完全。
[0048]圖2為未采用此修復(fù)方法(對(duì)照組)和采用此修復(fù)方法(試驗(yàn)組)開裂試件滲透系數(shù)隨修復(fù)時(shí)間(0d、3d、7d、14d、21d)的變化情況。采用此修復(fù)方法修復(fù)21d后幾乎無滲水現(xiàn)象發(fā)生。
[0049]圖3為采用此修復(fù)方法修復(fù)裂縫時(shí)裂縫區(qū)域礦化產(chǎn)物XRD圖譜，顯示礦化產(chǎn)物為碳酸鈣。
[0050]圖4為采用此修復(fù)方法修復(fù)裂縫時(shí)裂縫區(qū)域礦化產(chǎn)物SHM圖，顯示礦化產(chǎn)物的微觀形態(tài)。
[0051]圖5為修復(fù)前，各試件裂縫的初始狀態(tài)。
[0052]圖6為修復(fù)21d時(shí)，各試件裂縫的修復(fù)情況。
【權(quán)利要求】
1.一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于該方法為: 1)用清水分別淘洗載體A和載體B，洗凈載體表面吸附的雜質(zhì)，烘干備用； 2)將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌接種至培養(yǎng)基中培養(yǎng)，并將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌液濃縮至15?17個(gè)/mL ； 3)將產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌濃縮液和酵母菌粉按照質(zhì)量比50?60:1均勻混合，再添加至載體A中，在30°C培養(yǎng)箱里振蕩培養(yǎng)6?10小時(shí)，使產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌和酵母菌粉充分固載；濾掉溶液，收集處理后的載體A并干燥； 4)將底物、營養(yǎng)物質(zhì)和去離子水按質(zhì)量比30?40:1:100均勻混合，再添加載體B，室溫下攪拌8?12小時(shí)；濾掉溶液，收集處理后的載體B并干燥； 5)以處理后的載體A和載體B的混合載體為輕骨料，混合載體質(zhì)量占砂漿總質(zhì)量的17?23%，按照水灰比0.5?0.6，添加水泥、沙子和水，攪拌成型，標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的載體A、載體B為陶粒，粘土或沸石中的一種或幾種；載體A與載體B相同或不相同。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌為膠質(zhì)芽孢桿菌、地衣芽孢桿菌或黑曲霉中的一種或幾種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料及其制備方法，其特征在于，所述的底物為氯化鈣、硝酸鈣、乳酸鈣、甲酸鈣或乙酸鈣中的一種或幾種的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的營養(yǎng)物質(zhì)為葡萄糖、蔗糖或淀粉的一種或幾種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的產(chǎn)碳酸酐酶細(xì)菌濃縮液、酵母菌粉和載體A的質(zhì)量比為50?60:1:80?100。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的底物、營養(yǎng)物質(zhì)、去離子水和載體B的質(zhì)量比為30?40:1:100:200?210。
8.根據(jù)權(quán)利要求1?7所述的一種具有深層自修復(fù)功能的水泥基材料的制備方法，其特征在于，所述的載體A和載體B的質(zhì)量比為1.1?1.5:1。
【文檔編號(hào)】C04B14/04GK104261736SQ201410470387
【公開日】2015年1月7日 申請(qǐng)日期:2014年9月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月15日
【發(fā)明者】錢春香, 陳懷成, 任立夫, 羅勉 申請(qǐng)人:東南大學(xué)