一种裂缝自修复水泥基材料及制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于巴氏芽孢杆菌矿化沉积的裂缝自修复水泥基材料及制备方法，包含水泥基材、预混物一和预混物二，所述预混物一包含已吸附钙离子的产脲酶菌和载体，所述预混物二包含未吸附钙离子的产脲酶菌和载体。本发明专利技术将负载微生物的硅藻土分为两部分，一部分为硅藻土负载未提前吸附钙离子的微生物，而另一部分为硅藻土负载提前吸附钙离子的微生物。从而，既能够确保水泥基材料开裂后裂缝得到及时修复，又能提高修复后的水泥基材料的耐久性能。本发明专利技术制备的基于巴氏芽孢杆菌矿化沉积的裂缝自修复再生水泥基材料是一种兼具裂缝自诊断和自修复，绿色环保的再生水泥基材料，符合当前经济社会对建筑材料绿色、环保和智能的要求。要求。要求。

【技术实现步骤摘要】
一种裂缝自修复水泥基材料及制备方法


[0001]本专利技术涉及一种自修复水泥基材料，尤其涉及一种基于巴氏芽孢杆菌矿化沉积的裂缝自修复水泥基材料及制备方法。

技术介绍

[0002]混凝土是目前使用量最大，应用范围最广的建筑材料。但由于其抗拉强度低，极易产生裂缝使混凝土的强度降低，且有害化学物质(如氯离子)易通过裂缝进入混凝土内部，导致混凝土劣化和钢筋的腐蚀，降低服役时间。
[0003]传统的裂缝修复方法虽然能在一定程度上填补裂缝，但在实施过程中暴露出操作复杂、人工成本高、破坏混凝土结构、不能及时修复等缺点。而应用微生物自修复水泥基材料不仅能满足裂缝修复的要求，而且不需要人工检测和修复，能耗低，绿色环保。
[0004]巴氏芽孢杆菌是一种能够通过自身的新陈代谢产生脲酶，将尿素分解为和的微生物。巴氏芽孢杆菌的矿化能力强，有一定耐碱性，且脲酶产量高，是一种适用于自修复砂浆的优质微生物。巴氏芽孢杆菌诱导矿化的过程为：当混凝土微裂缝形成时，芽孢所处环境发生变化，氧气和水分进入裂缝，芽孢便萌发成营养细胞，进行正常的新陈代谢活动产生脲酶，促进尿素水解成和在碱性环境下，与钙离子反应形成碳酸钙填充裂缝区域，进行裂缝的自我修复，对混凝土和内部钢筋起到保护作用，如图5所示。但是，巴氏芽孢杆菌极高的脲酶产生速率虽能加快矿化产物的沉积，但所得到的矿化产物多为直径大的，疏松的碳酸钙沉淀物，这不利于水泥基材料耐久性能的提高。
[0005]文献(Qian C,Wang J,Wang R,et al.Corrosion protection of cement
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based building materials by surface deposition of CaCO
3 by Bacillus pasteurii[J].Materials Science and Engineering:C,2009,29(4):1273
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1280.)显示，钙离子先加入矿化体系时巴氏芽孢杆菌提前吸附钙离子能在一定程度上抑制生成脲酶速率，得到沉淀颗粒更小，更为致密且较为稳定的方解石(如图1和图2所示，图2中第一组为尿素与钙源同时添加；第二组为尿素在钙源添加24小时后添加；第三组为尿素在钙源添加48小时后添加)，极大地提高了提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌成为成核位点的可能性，进一步提高了巴氏芽孢杆菌的利用效率以及水泥基材料各处生成矿化产物的可能性，从而提高水泥基材料各处开裂后修复的可能性。但是，提前吸附钙离子会导致巴氏芽孢杆菌脲酶生成速率减慢，沉淀生成速率降低，修复速率变慢，会产生水泥基材料开裂早期可能得不到及时修复的问题。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种基于巴氏芽孢杆菌矿化沉积的裂缝自修复水泥基材料，解决现有自修复材料利用巴氏芽孢杆菌矿化修复裂缝时，无法兼顾修复速度和耐久性能的问题。本专利技术的另一目的在于提出一种裂缝自修复水泥基材料的制备方法，解决如何应用巴氏芽孢杆菌制备上述裂缝自修复水泥基材料的问题。
[0007]技术方案：本专利技术所述的一种裂缝自修复水泥基材料，包含水泥基材、预混物一和预混物二，所述预混物一包含已吸附钙离子的产脲酶菌和载体，所述预混物二包含未吸附钙离子的产脲酶菌和载体，所述预混物一和预混物二的总重量为水泥基材重量的1％
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25％。
[0008]本专利技术创新性地提出了在水泥基材料中加入两类预混物，一类为负载未提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌的多孔吸附载体，另一类为负载提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌的多孔吸附载体。该水泥基材料开裂后，矿化过程可以分为两步，首先为未提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌产生脲酶分解尿素，快速产生疏松沉淀初步修复裂缝。而提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌脲酶生成速率相对较慢可以看作矿化过程的第二步，此时生成的更为致密的沉淀可以提高修复后水泥基材料的耐久性。
[0009]优选地，所述产脲酶菌为巴氏芽孢杆菌，所述载体为多孔吸附基材，所述水泥基材包含水泥、砂、水和供巴氏芽孢杆菌代谢和生长的营养物质。巴氏芽孢杆菌作为产脲酶微生物，能够产生脲酶将尿素水解成氨气和二氧化碳，其中氨气会增加周围环境的pH值，促进二氧化碳转换为碳酸根离子进而导致CaCO3沉淀，且其细胞壁带负电，是碳酸钙晶体理想的成核位点，且提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌成为成核位点的可能性更高，提高开裂后水泥基材料各处裂缝修复的可能性；本专利技术所使用的巴氏芽孢杆菌对高碱性环境适应性很强，能够较好地在水泥基材料内部碱性环境中生存，同时在水泥基材料未开裂时巴氏芽孢杆菌处于休眠状态，能较好地提高水泥基材料的服役时间；营养物质主要用于供巴氏芽孢杆菌的萌发和代谢活动。
[0010]优选地，所述多孔吸附基材包括硅藻土、多孔碳材料、凹凸棒土、沸石、蛭石、珍珠岩中的一种或多种。硅藻土等多孔吸附基材具有多孔性，质量轻，化学稳定性，生物惰性等优点，可以作为载体固载巴氏芽孢杆菌。其纳米级孔隙结构不仅易于巴氏芽孢杆菌吸附，使其免受水泥基材料内部碱性环境的影响，而且有利于巴氏芽孢杆菌在水泥基体内均匀分散，从而大幅提高水泥基材料的自修复性能。
[0011]优选地，上述裂缝自修复水泥基材料的配比为包含按重量份计的如下原料：3500
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4500份水泥基材、135
‑
215份预混物一和135
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215份预混物二。
[0012]优选地，所述预混物一和预混物二的重量比为1：(1
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1.5)。合理地配比两种预混物，可以有效避免第一步快速修复作用对第二步致密修复作用的干扰，解决了快速修复和耐久性修复不可兼得的矛盾。
[0013]本专利技术所述的一种上述裂缝自修复水泥基材料的制备方法，包括如下步骤：
[0014](1)预混物一的制备：将载体加入提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液中充分混合；
[0015](2)预混物二的制备：将载体加入未吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液中充分混合；
[0016](3)按配比将水泥基材与预混物一和预混物二充分混合即得自修复水泥基材料。
[0017]在一些实施例中，所述步骤(1)中提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液的制备方法为：
[0018]在液体培养基或菌体重悬液中加入钙盐，采用所述液体培养基将巴氏芽孢杆菌活化培养后得菌体培养液，将菌体培养液离心弃上清得菌体沉淀，将菌体沉淀采用所述菌体
重悬液重悬后制得菌体浓度为106～109个/mL的提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液。在巴氏芽孢杆菌培养过程中或在重悬过程中添加额外浓度的钙离子，使巴氏芽孢杆菌提前吸附钙离子，从而提高水泥基材料修复后的耐久性能的方法。提前加入钙离子，一方面能使细胞保持渗透压平衡，促进巴氏芽孢杆菌的生长；另一方面钙离子提前吸附在细胞壁周围，可以降低巴氏芽孢杆菌产生脲酶的速率，从而获得更致密的碳酸钙沉淀，且能提高巴氏芽孢杆菌的利用效率，提高水泥基材料修复的可能性与修复后的耐久性。
[001本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种裂缝自修复水泥基材料，其特征在于，包含水泥基材、预混物一和预混物二，所述预混物一包含已吸附钙离子的产脲酶菌和载体，所述预混物二包含未吸附钙离子的产脲酶菌和载体，所述预混物一和预混物二的总重量为水泥基材重量的1％
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25％。2.根据权利要求1所述一种裂缝自修复水泥基材料，其特征在于，所述产脲酶菌为巴氏芽孢杆菌，所述载体为多孔吸附基材，所述水泥基材包含水泥、砂、水和供巴氏芽孢杆菌代谢和生长的营养物质。3.根据权利要求2所述一种裂缝自修复水泥基材料，其特征在于，所述多孔吸附基材包括硅藻土、多孔碳材料、凹凸棒土、沸石、蛭石、珍珠岩中的一种或多种。4.根据权利要求1所述一种裂缝自修复水泥基材料，其特征在于，包含按重量份计的如下原料：3500
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4500份水泥基材、135
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215份预混物一和135
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215份预混物二。5.根据权利要求4所述一种裂缝自修复水泥基材料，其特征在于，所述预混物一和预混物二的重量比为1：1
‑
1.5。6.一种权利要求1
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5任一项所述裂缝自修复水泥基材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)预混物一的制备：将载体加入提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液中充分混合；(2)预混物二的制备：将载体加入未吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液中充分混合；(3)按配比将水泥基材与预混物一和预混物二充分混合即得自修复水泥基材料。7.根据权利要求6所述裂缝自修复水泥基材料的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中提前吸附钙离子的巴氏芽孢杆菌悬浮液的制备方法为：在液体培养基或菌体重悬液中加入钙盐，采用所...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱春香，周裕琪，张开云，任新涠，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：