水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂及其应用

摘要

本发明涉及一种水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂，该复合外加剂由菌液、修复营养组分及辅助组分混合而成，其中，菌液是将目标菌株Bacillus cohnii按常规方式接种于基础培养基中培养后收集菌株湿细胞而获得，菌液最终浓度控制在(2～4)×107cell/ml范围，修复营养组分包括谷氨酸钙与酵母膏，辅助组分包括硅粉与引气剂。与现有技术相比，本发明中微生物复合外加剂可以很好地分散于水泥基体中，可保证任意处的裂缝均能得到及时有效的修复，节约大量的维护资金，所产生的修复介质为天然碳酸钙，有良好的耐久性和体积稳定性，且与水泥石相容性好，环境友好性突出。同时不会影响水泥的正常水化，因而不会影响结构的整体性能。

说明书

技术领域

本发明涉及一种水泥基材料自修复添加剂，尤其是涉及一种水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂及其应用。

背景技术

由于水泥基材料固有的物理力学特性而产生的微观裂缝若得不到及时修复，将很可能诱发混凝土的宏观开裂，造成结构的承载力和耐久性下降，更有可能发生恶性扩展而导致重大安全事故和人员伤亡。传统的解决方案在于对混凝土结构进行检修和维护。然而，对于一些大型基础性结构进行持续维护不仅困难，而且要耗费大量人力和资金。因此人们开始关注针对水泥基材料的自修复技术。

目前已有的水泥基材料自修复方法主要包括：基于水泥基材料自身的矿物自修复、预埋内注胶黏剂的微胶囊或中空玻璃纤维管、预埋形状记忆合金。这些方法尽管在一定程度上能实现对裂缝的自修复，但均存在着不可避免的缺陷：矿物自修复法修复量有限，且修复效率低；预埋微胶囊或空心纤维会给混凝土成型带来困难，且所包含的胶黏剂多为聚合物材料，容易带来环境问题；预埋形状记忆合金则只能实现基体的“线”修复而无法达到“点”修复，且形状记忆合金材料往往不够经济。

中国专利CN 102584073A公布了一种裂缝自修复水泥基材料添加剂及其使用方法和水泥基材料。添加剂按载体270～500g、乳酸钙5～10g和100mL的菌液离心而得的菌泥组成，所述的菌液是将菌株Bacillus halodurans按常规方式接种至培养基中培养得到，菌液中所含菌体浓度为(5～6)×10⁶个/mL，所述载体为炉渣或陶粒，所述的乳酸钙配制成质量百分比为1％水溶液加入。基于所述的裂缝自修复水泥基材料添加剂的水泥基材料，所述的添加剂的质量占水泥砂浆和添加剂总质量的20％～40％。经24h固化后浸泡于30℃的恒温富氧水浴中。5天后裂缝中产生少量白色物质，40天后裂缝可完全被填满，裂缝修复完全。该专利中采用Bacillus halodurans菌种，采用炉渣或陶粒作为载体进行保护，工艺较复杂，采用乳酸钙作 为前体钙源，对修复效率有一定影响，致使其修复效率较低，在40天后才能实现修复。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂及其应用，该外加剂基于微生物矿化沉积作用，能经济长效且主动地填塞并修复水泥基材料所产生的微裂缝，以保证结构的完整性和延长其服役寿命。所形成的修复介质耐久性好，同时具有良好的环境友好性。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明第一方面提供一种水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂。

该复合外加剂由菌液、修复营养组分及辅助组分混合而成，其中，菌液是将目标菌株Bacillus cohnii按常规方式接种于基础培养基中培养后收集菌株湿细胞而获得，菌液最终浓度控制在(2～4)×10⁷cell/ml范围，修复营养组分包括谷氨酸钙与酵母膏，辅助组分包括硅粉与引气剂；每100ml菌液中各组分含量为：谷氨酸钙0.9～3.6g、酵母膏0.1～0.3g、硅粉18～27g、引气剂0.018～0.02g。

所述的基础培养基的成分按质量份计为，蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g、碳酸氢钠0.4～0.45g、碳酸钠0.5～0.56g，水1000ml，并用NaOH溶液将pH值调至9.2～10.0。

细菌培养方式为：于25～37℃在水浴摇床上以100～150rpm的速度振荡培养24～48小时。

细菌收集方式为：将获取的培养菌液在离心机上以3000～4000rpm的速度离心10～20min后，去除上层清液并用去离子水收集菌株湿细胞。

本发明第二方面提供上述水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂的应用。

按照占水泥干混砂浆和复合外加剂总质量20％～30％的比例将复合外加剂加入水泥干混砂浆中，搅拌均匀，并使用。

已添加复合外加剂的硬化水泥砂浆经破坏产生裂缝后，在温度为25～37℃、相对湿度为100％或水饱和且供氧充分的环境下养护7～14天后即可自修复裂缝。

本发明利用微生物诱导矿化沉积作用来实现水泥基材料的开裂自修复。通过将高浓度菌株湿细胞、修复营养组分及辅助组分以复合外加剂的方式在成型时加入水泥基体并分散均匀。硬化后的水泥石为封闭环境，菌体以休眠形式处于其中，同时辅助组分中的硅粉可以降低水泥石碱度，而引气剂可以为菌体提供适当的空间，以 保证休眠菌体能长期稳定存在。当基体发生开裂破坏后，裂缝接触氧气、水分后，休眠的菌体在修复营养介质存在的作用下复苏，在随后的新陈代谢活动中逐步将谷氨酸钙转变为碳酸钙沉积，从而主动修复裂缝。本发明中所采用的前体钙源为谷氨酸钙，可提高修复效率，使其在1-2周内即可实现修复。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：微生物复合外加剂由于能充分与水泥混合，因而可以很好地分散于水泥基体中，可保证任意处的裂缝均能得到及时有效的修复，节约大量的维护资金。所产生的修复介质为天然碳酸钙，有良好的耐久性和体积稳定性，且与水泥石相容性好，环境友好性突出。另外，外加剂的组分亦不会影响水泥的正常水化，因而不会影响结构的整体性能。

附图说明

图1为水泥石裂缝中沉积物质的XRD图谱；

图2a为水泥石裂缝中沉积物质的SEM图像；

图2b为图2中“+”标识处的EDAX图谱。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1～3：水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂的配制

实施例1

一种微生物复合外加剂的配制方法，将菌株Bacillus cohnii按常规方式接种于基础培养基中，该基础培养基的成分按质量份计为：蛋白胨5g、牛肉膏3g、碳酸氢钠0.42g、碳酸钠0.53g，水1000ml，并用1mol/L NaOH溶液将pH值调至9.7。随后于37℃在水浴摇床上以120rpm的速度振荡培养48小时。将获取的培养菌液在离心机上以4000rpm的速度离心15min后，去除上层清液并用去离子水收集菌株湿细胞，并将菌液最终浓度控制在3.3×10⁷cell/ml范围。每100ml菌液加入修复营养组分和辅助组分即得。所述修复营养组分的成分为：谷氨酸钙1.8g、酵母膏0.1g；所述辅助组分的成分为：硅粉18g、引气剂0.018g。

实施例2

一种微生物复合外加剂的配制方法，将菌株Bacillus cohnii按常规方式接种子基础培养基中，该基础培养基的成分按质量份计为：蛋白胨4g、牛肉膏2.4g、碳 酸氢钠0.4g、碳酸钠0.5g，水1000ml，并用1mol/L NaOH溶液将pH值调至9.2。随后于25℃在水浴摇床上以100rpm的速度振荡培养36小时。将获取的培养菌液在离心机上以3000rpm的速度离心20min后，去除上层清液并用去离子水收集菌株湿细胞，并将菌液最终浓度控制在2×10⁷cell/ml范围。每100ml菌液加入修复营养组分和辅助组分即得。所述修复营养组分的成分为：谷氨酸钙0.9g、酵母膏0.1g；所述辅助组分的成分为：硅粉18g、引气剂0.018g。

实施例3

一种微生物复合外加剂的配制方法，将菌株Bacillus cohnii按常规方式接种于基础培养基中，该基础培养基的成分按质量份计为：蛋白胨6g、牛肉膏3.6g、碳酸氢钠0.45g、碳酸钠0.56g，水1000ml，并用1mol/L NaOH溶液将pH值调至10。随后于37℃在水浴摇床上以150rpm的速度振荡培养24小时。将获取的培养菌液在离心机上以4000rpm的速度离心20min后，去除上层清液并用去离子水收集菌株湿细胞，并将菌液最终浓度控制在4×10⁷cell/ml范围。每100ml菌液加入修复营养组分和辅助组分即得。所述修复营养组分的成分为：谷氨酸钙3.6g、酵母膏0.3g；所述辅助组分的成分为：硅粉27g、引气剂0.02g。

实施例4～5：用于水泥基材料开裂自修复的微生物复合外加剂的使用

实施例4

按照占水泥干混砂浆和复合外加剂总质量25％的比例将复合外加剂加入水泥干混砂浆中搅拌均匀。已添加复合外加剂的水泥砂浆硬化后，在SANS万能试验机上采用四点弯曲的方式对棱柱体试件进行加载，在峰值荷载过后试件中部产生裂缝，监测试件挠度并将最终裂缝宽度控制在0.1～0.1mm范围。破坏后的试件在温度为25℃、相对湿度为100％的环境下养护14天后，水泥基材料裂缝得以完全修复。水泥石裂缝中沉积物质的XRD图如图1所示，经分析标定为方解石和球霰石的混合物。水泥石裂缝中沉积物质的SEM图像如图2a所示，标识处的椭球状判断为碳酸钙颗粒，经EDAX图谱(图2b)鉴定证实为碳酸钙颗粒。

实施例5

按照占水泥干混砂浆和复合外加剂总质量30％的比例将复合外加剂加入水泥干混砂浆中搅拌均匀。已添加复合外加剂的水泥砂浆硬化后，在SANS万能试验机上采用四点弯曲的方式对棱柱体试件进行加载，在峰值荷载过后试件中部产生裂缝，监测试件挠度并将最终裂缝宽度控制在0.2～0.4mm范围。破坏后的试件在温 度为30℃、水饱和且间断向水中通入氧气以保证供氧充分的环境下养护7天后，水泥基材料裂缝得以完全修复。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。