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

摘要

本发明提供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)×10

说明书

技术领域

本发明涉及到一种水泥基材料裂缝自修复的添加剂、水泥基材料，尤其是一 种利用微生物技术并且能够使裂缝产生自动修复功能的添加剂和水泥基材料。

背景技术

近50年来国内外混凝土结构的失效多是由混凝土开裂引起的，从而使得腐 蚀性介质如硫酸盐、氯盐等非常容易地浸入到混凝土内部，对混凝土本身及预埋 的钢筋造成破坏，极大程度地缩短了混凝土结构的使用寿命，而由此引发的事故 屡屡发生，不仅给国家和人民带来了巨大的经济损失，而且也严重威胁着人身安 全。

水泥基材料裂缝的自修复方法目前在世界范围内已经得到了非常广泛的关 注与研究，概括起来有：预埋内注胶黏剂的空心胶囊/玻璃管/玻璃纤维、预埋形 状记忆合金以及微生物的原位修复方法。但是这些方法均存在着无法避免的缺陷： 预埋内注胶黏剂的空心胶囊或者空心纤维都为玻璃管制，给混凝土的搅拌带来了 很大的不便，而且无法确保在混凝土结构内部的均匀分布；预埋形状记忆合金也 只能实现混凝土裂缝“线”的修复而无法达到“点”的修复；而原位修复的方式仍需 要外部能量的不断供给，而且无法自动做出适当的响应，缺少自我调节和自我修 复的机制，而且这一机理在修复的过程中产生氨气，对大气环境产生较大破坏。

发明内容

为了使混凝土材料一旦产生裂缝后便能够主动在裂缝处自动修复，并阻止裂 缝的进一步拓展，以保证结构的完整，延长材料的服役寿命，增强其耐久性，本 发明提供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，利用 微生物矿化作用使水泥基材料裂缝产生自修复效果。

本发明采用如下技术方案：一种裂缝自修复水泥基材料添加剂，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％的水溶液加入。

所述的载体的粒径为1.18～2.36mm。

所述的载体浸泡于菌液中24h再使用。

所述的培养基的组成按质量份计为：蛋白胨4～6g、牛肉浸膏3～4g和水1000g。

基于所述的裂缝自修复水泥基材料添加剂的使用方法，按照添加剂的质量占 水泥砂浆和添加剂总质量的20％～40％的比例将添加剂加入水泥砂浆中混合均匀 即得。

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％。

有益效果：

1.本发明的添加剂中的微生物能够很好的与水泥相混合，并且可以均匀分 布在混凝土结构的每一个角落，当混凝土裂缝产生并接触到空气、水分后便开始 主动修复裂缝，这样可以保证任何一处产生裂缝后都能够得到修复。

2.本发明采用微生物的自修复方法，可以节约大量外部人工维修资金。

3.根据实验，在修复初期，5天便能够明显在裂缝中形成碳酸钙沉淀物，40 天后可形成一层致密的填充物，达到最佳的修复效果。

4.本发明的添加剂对混凝土无害、不影响水泥的水化过程。

附图说明

图1是取自试样1和试样2的裂缝中少量白色物质做出的XRD图谱，以及 澄清石灰水吸收二氧化碳所得碳酸钙的XRD图谱，经分析标定，该白色物质为 方解石。

其中曲线1为试样1的裂缝中的白色物质的XRD图谱，曲线2为试样2的 裂缝中的白色物质的XRD图谱，曲线3为澄清石灰水吸收二氧化钛所得碳酸钙 的XRD图谱。

图2是取试样1的裂缝中少量白色物质得到的TEM图像。由图中可见方解 石呈柱状结构。

图3为试样1的裂缝中的白色物质的TEM图像。由图中的莫尔条纹以及衍 射花样可以看出，其结晶度非常好。

具体实施方式

一种裂缝自修复水泥基材料添加剂，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，所述的乳酸钙溶液的质量百分比为1％。更优的是事先 按照最大密度理论选择相应粒径的陶粒或者炉渣作为载体，浸泡于菌液中24h 进行预处理。

所述的载体的粒径为1.18～2.36mm。

所述的培养基的组成按质量份计为：蛋白胨4～6份、牛肉浸膏3～4份和水 1000份。按照常规的培养方法，将培养基调节pH为7.0，灭菌烘干后，将菌株 巴氏芽胞杆菌Bacillus halodurans接种至配制好的培养基中，在30℃下进行振荡 培养，振荡频率为170r/min，培养24h，获得菌液；将该菌液置于7000r/min的 离心机中5min，经冷冻离心得到菌泥。

基于所述的裂缝自修复水泥基材料添加剂的使用方法，按照添加剂的质量占 水泥砂浆和添加剂总质量的20％～40％的比例将添加剂加入水泥砂浆中混合均匀 即得。本添加剂适用于各类以水泥为原材料的砂浆、混凝土。

实施例1

菌液的培养

配制培养基(培养基成分如表1所示)，调节pH＝7.0，121℃高温灭菌25min， 于60℃烘箱中烘干后，将菌株Bacillus halodurans接种至装有培养基的三角瓶中 (无菌操作)，摇床30℃振荡培养(振荡频率170r/min)24h，得到浑浊菌液， 菌液中所含的菌体浓度为(5～6)×10⁶个/mL。将该菌液置于7000r/min的离心 机中5min，经冷冻离心得到菌泥。

表1培养基成分

载体的选取

载体作为裂缝自修复的必要条件，主要起到吸附微生物、给微生物足够空间 存活的作用，而所选的炉渣以及陶粒均具有多孔性质。两者的粒径范围均选用 1.18mm～2.36mm之间。

试件成型

按照表2所示的配合比，同时每一组拌有100mL菌液离心而得的菌泥，成 型砂浆试样。于标准养护室养护7天。

表2砂浆试样成型配合比

所述的乳酸钙配制为1％wt的水溶液使用。

裂缝设计

将成型的砂浆试样从标准养护室取出晾干，并利用AEC型全自动水泥强度 试验机压出裂缝。利用环氧树脂对已破损试样进行封固，只留出两相邻侧面上的 裂缝，其余处均用环氧树脂覆盖，静置于空气中24h待其固化。

修复环境

将已产生裂缝的试样浸泡于30℃的水中，并间断往水中通入普通氧气保证水 溶液处于饱和溶解氧状态，自此裂缝开始修复。5天后，裂缝内初步形成白色沉 淀物质；至40天，裂缝可完全被填充，达到修复效果。

当裂缝中微生物遇到水分、氧气之后便开始不断繁殖，其酶化作用不断促使 混合在砂浆基体中的乳酸钙底物分解，其反应过程可由式(1)表示。

(DL-)C₆H₁₀CaO₆·5H₂O+6O₂——CaCO₃+5CO₂+10H₂O    (1)

产生的碳酸钙在裂缝中形成，随着其数量的不断增加，将裂缝填满，从而达 到修复裂缝的效果。

实施例2

按照表3所示的配合比，同时每一组拌有100mL菌液离心而得的菌泥，成 型砂浆试样。于标准养护室养护7天，得到本发明的混凝土材料，按照实施例1 的方法制造裂缝，再进行修复，5天便能够明显的在裂缝中形成碳酸钙沉淀物， 40天后可以形成一层致密的填充物，证明本发明的水泥基材料确实具有自修复 功能。

表2砂浆试样成型配合比

所述的乳酸钙配制为1％wt的水溶液使用。