基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土及制备方法

摘要

本发明公开一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土及其制备方法，其组分为载有产脲酶微生物的膨胀珍珠岩、水泥、石子、砂、硅灰、水、尿素、氯化钙、产脲酶微生物悬浮液及减水剂。它以产脲酶微生物作为混凝土裂缝修复剂，通过产脲酶微生物的新陈代谢产生尿素酶，将尿素分解为NH4+和CO32+，进而矿化沉积碳酸钙修复裂缝。在制备过程中，通过将一部分裂缝修复剂直接掺入混凝土中，实现对再生粗骨料自身上的裂缝、孔洞、以及再生骨料和新水泥石基体之间的粘结薄弱区进行裂缝自修复，从而提高再生混凝土的力学性能；同时，将另一部分裂缝修复剂首先吸附到膨胀珍珠岩载体内，然后再掺入混凝土中，用以提高再生混凝土在服役期间的裂缝自修复能力，从而提高再生混凝土的抗渗性能和耐久性。

说明书

技术领域

本发明涉及再生混凝土材料，尤其是裂缝自修复再生混凝土材料，特别是一种基于产脲酶微生物矿化沉积技术实现裂缝自诊断和自修复且具有绿色节能的裂缝自修复再生混凝土。

背景技术

由于抗压强度高、耐久性好、成本低等优点，混凝土被广泛地应用在工业与民用建筑工程、道路与桥梁工程、地下工程等工程领域。然而混凝土在服役过程中难免会产生裂缝和局部损伤，如果不及时采取有效处理措施，该裂缝可能会进一步扩展，最终导致混凝土力学性能和耐久性显著降低。对于服役过程中混凝土结构裂缝的诊断和修复是一个长期困扰土木工程人员的技术难题。

随着我国大量既有建筑的拆除、工程结构的改造等进程的实施，每年产生的废弃混凝土数量很大，既造成很大的资源浪费又对周围环境造成很大的压力，因此对废弃混凝土的回收再利用越来越迫切。

目前，对废弃混凝土的回收再利用主要是将再生石子作为再生混凝土的粗骨料，从而实现绿色节能和可持续发展的目的。然而，研究表明将再生粗骨料替代天然石子制备的再生混凝土脆性较大，其力学性能随着再生粗骨料取代率的增大出现明显递减趋势。出现上述趋势的主要原因是在再生骨料与新水泥石基体之间存在一个过渡界面，该界面存在一些孔洞、微裂缝，导致界面硬度较低，而且再生骨料表面不同程度地包裹着水泥浆，使得再生混凝土存在一些新水泥石基与再生粗骨料粘结较薄弱的区域。此外，再生粗骨料在破碎产生过程中存在一定的缺陷，破碎损伤积累使得再生骨料内部和表面产生大量的微裂缝，也是导致再生混凝土的力学性能降低的一个重要因素。再生混凝土在服役期间难免会出现微裂缝，由于当前探测技术的局限性，检测和修复再生混凝土的这些微裂缝仍存在较大的难度。

因此，有必要研制出一种既具有足够的力学性能又具备优越的裂缝自修复能力的再生混凝土材料，以满足当前建筑领域对混凝土材料的特殊要求。已有研究表明产脲酶微生物能够通过其自身的新陈代谢产生尿素酶，将尿素分解为NH₄⁺和CO₃²⁺，从而将钙离子矿化沉积为碳酸钙，碳酸钙与水泥石有很好的相容性。因此，可以将产脲酶微生物矿化沉积技术与再生混凝土结合起来，有效地实现再生混凝土兼具足够的力学性能和优越的裂缝自修复能力的目的。

发明内容

本发明的目的是提高再生混凝土的力学性能和耐久性，提供一种充分利用产脲酶微生物和膨胀珍珠岩各自优点、具有裂缝自诊断和自修复、轻质和绿色环保的裂缝自修复再生混凝土及其制备方法。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，通过下列重量分数的原料制成：

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗80~150份，水泥380~500份，粗骨料1100~1300份，砂450~550份，硅灰20~30份，产脲酶微生物悬浮液20~30份，水180~250份，尿素7~10份，氯化钙7~10份，减水剂4~6份。

其中，裂缝修复剂为具有嗜碱且通过新陈代谢产生脲酶的特性并具备以尿素、含钙无机盐为基质合成碳酸盐能力的产脲酶微生物，所述产脲酶微生物是能够通过自身的新陈代谢产生尿素酶，将尿素分解为NH₄⁺和CO₃²⁺，矿化沉积出碳酸钙的微生物。例如，巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌等。

载有产脲酶微生物的载体采用表面开放孔的膨胀珍珠岩，膨胀珍珠岩的粒径范围为1.0mm~3.0mm。

粗骨料是由再生粗骨料和天然石子组成，再生粗骨料取代率为30%~100%。

减水剂是一种在维持混凝土坍落度不变的条件下，能减少拌合用水量的混凝土外加剂。大多属于阴离子表面活性剂，有木质素磺酸盐、萘磺酸盐甲醛聚合物等。

载有裂缝修复剂且包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒的制备方法如下：

载体制备：

（1）、筛选具有嗜碱且通过新陈代谢产生脲酶的特性并具备以尿素、含钙无机盐为基质合成碳酸盐能力的产脲酶微生物（巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌等），对菌株进行纯化和培养；

（2）、制备产脲酶微生物的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g，NaHCO₃>

（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.0，120℃高温灭菌30分钟，然后将嗜碱脲酶菌种（巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌等）按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；

（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；

（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为5.0~7.0×10⁷个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒（每升菌液对应的膨胀珍珠岩用量为400~450g）的表面和内部孔隙中；

（6）、用干燥箱对上述吸附产脲酶微生物的膨胀珍珠岩在45±2℃左右温度下进行干燥；

（7）、对干燥后的吸附产脲酶微生物的膨胀珍珠岩颗粒表面喷洒氯化钙和酵母膏混合溶液，（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，氯化钙7g，酵母提取物1g），并对其进行第二次干燥。

载体包裹：

（1）、称取偏高岭土与相应的激发剂混合（二者质量比为1：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；

（2）、将拌合后的偏高岭土添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.6MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；

（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂3~5次；

（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。

最终，产脲酶微生物的自修复再生混凝土制备方法如下：

首先，用水稀释菌泥，使其浓度为5.0~7.0×10⁷个/mL并取所述重量份数，再将所述重量份数的尿素加入菌液中，搅拌均匀；

其次，将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与30%重量份数的水投入搅拌机中，拌和均匀，再将所述重量份数的水泥、天然石子、再生粗骨料、砂、硅灰、氯化钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌均匀；

最后，将加有尿素的菌液倒入搅拌机中搅拌均匀，即得到所述的自修复再生混凝土。

在制备过程中，通过将一部分裂缝修复剂直接掺入混凝土中，实现对再生粗骨料自身上的裂缝、孔洞、以及再生骨料和新水泥石基体之间的粘结薄弱区进行裂缝自修复，从而提高再生混凝土的力学性能；同时，将另一部分裂缝修复剂首先吸附到膨胀珍珠岩载体内，然后再掺入混凝土中，用以提高再生混凝土在服役期间的裂缝自修复能力，从而提高再生混凝土的抗渗性能和耐久性。

本发明制备的基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土具有如下特点：

第一，所使用的产脲酶微生物（巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌等）对混凝土中的高碱性环境适应性很强，在干燥环境下产脲酶微生物处于休眠状态，成活时间可达50年以上，与多数建筑结构的设计使用年限相近。

第二、所采用的产脲酶微生物（巴氏芽孢杆菌、球形芽孢杆菌等），能够通过其自身的新陈代谢产生一种尿素酶，这种酶能将将尿素分解为NH₄⁺和CO₃²⁺，进而矿化沉积出修复介质（碳酸钙），该介质具有良好的耐久性和体积稳定性，与水泥石相容性较好，并且该菌为碳酸钙沉积提供了成核位点。

第三、产脲酶微生物的载体采用表面为开放孔、内部为蜂窝状结构的膨胀珍珠岩，在混凝土制备和服役过程中，膨胀珍珠岩可以对产脲酶微生物的生存和代谢提供有效保护，延长其寿命。

第四、本发明中采用的膨胀珍珠岩，不但为产脲酶微生物提供了一个生存的空间，而且也可以作为保温骨料，有效地降低再生混凝土的导热系数，实现保温隔热的功能。

第五、在再生混凝土的制备过程中同时采用两种掺菌方式，一种方式是直接掺入产脲酶微生物悬浮液，另一种方式为通过以膨胀珍珠岩作为产脲酶微生物的载体，将产脲酶微生物间接地掺入再生混凝土中。

第六、直接掺入再生混凝土中的产脲酶微生物，能够直接对再生粗骨料本身上的孔洞、微裂缝、再生骨料和新水泥石基体之间的粘结薄弱区进行自修复，从而提高再生混凝土的力学性能。

第七、通过以膨胀珍珠岩为载体间接掺入再生混凝土中的产脲酶微生物，能够有效实现服役期间再生混凝土的裂缝自修复功能，如果裂缝修复完毕后的部位再次发生开裂，混凝土仍具备裂缝自修复能力。

第八、基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土有效地利用了废弃的建筑垃圾再生资源，满足当前社会对绿色环保，节能高效的要求。

本发明设计合理，基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土是一种兼具裂缝自诊断和自修复、轻质、保温隔热和绿色节能的再生混凝土材料，符合当前经济社会对建筑材料绿色、环保和智能的要求。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施例进行详细说明。

实施例1

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒90份，水泥400份，再生粗骨料562份，天然石子562份，砂475份，硅灰22份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为5.5×10⁷个/mL）22份，水193份，尿素8份，氯化钙8份，减水剂4份。

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒的制备方法包括以下工艺流程：

载体制备：

（1）、选择巴氏芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；

（2）、制备巴氏芽孢杆菌的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g，NaHCO₃>

（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.0，120℃高温灭菌30分钟，然后将嗜碱脲酶菌种按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；

（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；

（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为5.5×10⁷个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒的表面和内部孔隙中；

（6）、用干燥箱对上述吸附巴氏芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2℃左右温度下进行干燥；

（7）、对干燥后的吸附巴氏芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒表面喷洒氯化钙和酵母膏混合溶液，（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，氯化钙7g，酵母提取物1g），并对其进行第二次干燥。

载体表面包裹：

（1）、称取偏高岭土与相应的激发剂混合（二者质量比为1：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；

（2）、将拌合后的偏高岭土浆体添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.6MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；

（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂3次；

（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。

基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土制备方法，包括如下步骤：

首先，用水稀释菌泥，使其浓度为5.5×10⁷个/mL并取所述重量份数，再将所述重量份数的尿素加入菌液中，搅拌1分钟；

其次，将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与30%重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将所述重量份数的水泥、天然石子、再生粗骨料、砂、硅灰、氯化钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌1分钟；

最后，将加有尿素的菌液倒入搅拌机中搅拌3分钟，即得到所述的自修复再生混凝土。

实施例2

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有嗜碱脲酶菌且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒100份，水泥420份，再生粗骨料575份，天然石子575份，砂500份，硅灰24份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为5.5×10⁷个/mL）23份、水202份，尿素8份，氯化钙8份，减水剂4份。

制备方法同实施例1。

实施例3

一种基于脲酶菌矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有嗜碱脲酶菌且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒115份，水泥450份，再生粗骨料826份，天然石子354份，砂530份，硅灰26份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为6.0×10⁷个/mL）24份、水216份，尿素9份，氯化钙9份，减水剂5份。

制备方法同实施例1。

实施例4

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒130份，水泥480份，再生粗骨料848份，天然石子363份，砂540份，硅灰28份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为6.0×10⁷个/mL）26份、水234份，尿素10份，氯化钙10份，减水剂5份。

制备方法同实施例1。

实施例5

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒80份，水泥380份，再生粗骨料330份，天然石子770份，砂450份，硅灰20份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为5.0×10⁷个/mL）20份、水180份，尿素7份，氯化钙7份，减水剂4份。

膨胀珍珠岩颗粒的制备方法包括以下工艺流程：

载体制备：

（1）、选择球形芽孢杆菌，对菌株进行纯化和培养；

（2）、制备产球形芽孢杆菌的培养基（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，蛋白胨5g，牛肉膏3g，NaHCO₃>

（3）、用1mol/L倍半碳酸钠无菌溶液（每升各组成成分含量：碳酸氢钠42g，无水碳酸钠53g）将上述培养基pH值调整为9.0，120℃高温灭菌30分钟，然后将嗜碱脲酶菌菌种按常规方式接种至pH值为9~10的液体培养基中，振荡培养24小时；

（4）、将所得菌液用离心机以转速4000r/min离心20分钟，获得菌泥；

（5）、将菌泥在灭菌后的蒸馏水中重悬，然后稀释至菌液所含菌体浓度为5.0×10⁷个/mL，然后采用真空浸渍法将菌液浸渍到膨胀珍珠岩颗粒的表面和内部孔隙中；

（6）、用干燥箱对上述吸附球形芽孢杆菌的膨胀珍珠岩在45±2℃左右温度下进行干燥；

（7）、对干燥后的吸附球形芽孢杆菌的膨胀珍珠岩颗粒表面喷洒氯化钙和酵母膏混合溶液，（每升各组成成分含量：蒸馏水1L，氯化钙7g，酵母提取物1g），并对其进行第二次干燥。

载体表面包裹

（1）、称取偏高岭土与相应的激发剂混合（二者质量比为1：1），并对其拌合3~5分钟；其中，激发剂为浓度为15%的硅酸钠溶液；

（2）、将拌合后的偏高岭土添加到喷枪的料桶中，调节空压机的气压（压力设定为0.6MPa），然后对载体颗粒表面的一侧进行喷涂；

（3）、翻转载体颗粒，对颗粒表面另一侧进行喷涂，如此反复喷涂3~5次；

（4）、将包裹完毕的载体颗粒在常温下干燥。

基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土制备方法，包括如下步骤：

首先，用水稀释菌泥，使其浓度为5.0×10⁷个/mL并取所述重量份数，再将所述重量份数的尿素加入菌液中，搅拌1分钟；

其次，将所述重量份数的表面已包裹的膨胀珍珠岩与30%重量份数的水投入搅拌机中，拌和30秒后，再将所述重量份数的水泥、天然石子、再生粗骨料、砂、硅灰、氯化钙、减水剂以及剩余重量份数的水均匀投入搅拌机中，搅拌1分钟；

最后，将加有尿素的菌液倒入搅拌机中搅拌3分钟，即得到所述的自修复再生混凝土。

实施例6

一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土，由下列重量份数的原料制成：

载有产脲酶微生物且已包裹表面的膨胀珍珠岩颗粒150份，水泥500份，再生粗骨料1300份，砂550份，硅灰30份，产脲酶微生物悬浮液（浓度为7.0×10⁷个/mL）30份、水250份，尿素10份，氯化钙10份，减水剂6份。

制备方法同实施例5。

上述实施例中制备的裂缝自修复再生混凝土不仅能够提高再生混凝土的力学性能，实现裂缝自修复功能，而且也具备保温隔热功能，它以产脲酶微生物为裂缝修复剂，通过产脲酶微生物的新陈代谢产生尿素酶，将尿素分解为NH₄⁺和CO₃²⁺，进而矿化沉积碳酸钙，对再生粗骨料自身上的裂缝、孔洞，和生骨料和新水泥石基体之间的粘结薄弱区进行自修复，实现提高再生混凝土的力学性能的效果；以膨胀珍珠岩为裂缝修复剂的载体，当再生混凝土产生裂缝，水和空气的进入使休眠中的产脲酶微生物恢复新陈代谢从而产生尿素酶，将尿素分解为NH₄⁺和CO₃²⁺，进而矿化沉积碳酸钙，从而达到自行诊断和修复再生混凝土裂缝，提高再生混凝土抗渗性能的目的。

本发明所述的裂缝自修复再生混凝土作为一种兼具裂缝自诊断和自修复、轻质、保温隔热、绿色节能的混凝土材料，具有很大的研究价值和应用潜力。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖本发明的权利要求保护范围中。