利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料及处理方法与流程

本发明属于水泥混凝土路面维修养护技术领域，涉及一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料及处理方法。

背景技术：

作为土木工程中大宗建筑材料，水泥被广泛应用于修建水泥混凝土道路，然而随着服役时间的累积，水泥路面易出现面板脱空现象，严重影响行车舒适性，若不及时对其进行修复，将大幅降低水泥道路服役质量与使用寿命。目前关于解决道路面板脱空的方法主要为将水泥、砂、矿物掺合料、外加剂、水等按一定比例制备出传统的水泥基压浆材料，并采用压浆机进行压浆灌浆。如中国专利ZL201610974107.5公开一种水泥基压浆处治材料，由以下组分组成：水泥39.4～45.9重量份；粉煤灰26.0～33.9重量份；水20.1～25.7重量份；硫酸钠0.4～0.8重量份；三乙醇胺0.02～0.03重量份；膨胀珍珠岩4.0～5.0重量份；聚羧酸减水剂0.12～0.26重量份；分散助剂0.01～0.05重量份。

然而此类方法存在一些缺陷，首先水泥与矿物掺合料属于高耗能制品，会极大消耗不可再生能源，生产过程还会造成环境的严重污染。其次，传统的水泥砂浆压浆材料易在压浆设备内部凝固，不易清洗干净，会对设备的使用性能与寿命造成影响。

技术实现要素：

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利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料及处理方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

本发明的技术方案之一在于提供一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料，包括以下重量份数的组分：10-20份微生物菌株，15-30份营养液，1-10份凝固剂，30-70份砂，10-30份水。

进一步的，所述的微生物菌株为巴氏芽孢八叠球菌。

进一步的，所述的微生物菌株包括蜡状芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌和微杆菌中的一种或几种。

进一步的，所述营养液中的溶质包括尿素、磷酸二氢钾、蛋白胨、乙酸钙、葡萄糖、酵母、氯化铵、氯化钠或硫酸镁中的一种或几种，各溶质的浓度为0.1-2mol/L。

进一步的，所述凝固剂包括琼脂、黄原胶或卡拉胶中的一种或几种。其中，优选的，琼脂的密度为5～25g/L，黄原胶的密度为5～20g/L，卡拉胶的密度为5～10g/L。

进一步的，所述砂的细度模数为2.2-1.6。

本发明的技术方案之二在于提供了一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的处理方法，具体包括以下步骤：

(1)取微生物菌株置于营养液中培养，调节pH值至7.0～8.5之间并维持；

(2)将步骤(1)中培养好的菌液与凝固剂、水混合均匀：

(3)再将步骤(2)中制得的混合液与砂混合搅拌，得到微生物基压浆材料；

(4)最后，将步骤(3)制得的微生物基压浆材料压入路面脱空处，直至微生物基压浆材料溢出为止，即完成。

进一步的，步骤(2)中，混合处理过程为：在常温下以100～300rpm的搅拌速度搅拌1～3min。

进一步的，步骤(3)中，搅拌速度为100～500rpm，搅拌时间控制在2～5min。

进一步的，步骤(4)中，压入微生物基压浆材料的压力为0.5～3MPa。

本发明制备的压浆材料利用脲霉活性较高的微生物菌株矿化产生的碳酸钙作为胶凝材料与砂胶结，通过在培养液中加入不同种类的营养液增加胶凝材料产物的沉积量，并通过凝固剂初步快速将砂固结，使得压浆材料整体得到较好的固结效果，提高压浆材料胶结强度。此外，传统的压浆材料通常采用水泥基胶凝材料作为压浆材料，而水泥基材料在使用过程中会出现快速凝固的现象，从而会在压浆设备内部凝结而不易被清洗，会严重影响设备的使用效果与使用寿命。而本发明所用的微生物、营养液、份凝固剂和砂等材料虽然具有胶结效果，但不会出现像水泥基胶凝材料在压浆机内快速凝固而导致内部难以清洗的问题，使用完后仅需用水直接冲洗便能清洗干净。

本发明是一种施工简便、环保节能、绿色无污染的新型路面修补材料，同时还针对路面脱空问题提出了一种新的微生物处理方法。

此外，本发明相比一般仅采用微生物菌株+培养液+砂制备压浆材料的技术而言，进一步本发明中改进并细化了采用巴氏芽孢八叠球菌、蜡状芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、微杆菌等微生物菌株作为胶结物质来源，胶结物质可为其中的一种或多种，胶结物质来源丰富且均可矿化产生胶结物质。同时，本发明营养液中的溶质包括尿素、磷酸二氢钾、蛋白胨、乙酸钙、葡萄糖、酵母、氯化铵、氯化钠或硫酸镁中的一种或几种，可为不同菌种提供矿化作用所需的营养成分。此外，本发明还包括凝固剂，所述凝固剂包括琼脂、黄原胶、卡拉胶中的一种或几种，将凝固剂加入混合物中，不仅能为微生物提供一定的营养成分，还能将砂颗粒预先进行简单的固结成型，不至于使得微生物砂浆流动性太大而使微生物溶液与砂颗粒分离最终影响灌浆效果，进而可提高微生物的矿化效果。通过将不同的微生物菌种、培养液、凝固剂与砂进行混合，可制得浆体流动性与微生物矿化效果均较好的微生物压浆材料。

本发明通过优化了压浆材料配方中各组分的种类与添加量，配制出一种新型微生物基压浆材料，通过各组分之间的协同增效作用，平衡了微生物菌株与营养液之间的供需关系，可得到既满足规范要求又具有不同强度的压浆材料。若微生物菌株等组分的添加量过高，则营养液中的营养组分不能充分满足微生物的矿化作用需求，不仅会造成微生物菌株数过多而浪费，还会导致实际成本增加。当微生物菌株等组分的添加量过低时，则培养液中的营养组分会出现过剩的现象而出现浪费。而本发明通过对各组分的添加量等均进行限定，极好地解决了微生物与营养液之间的需求平衡关系。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本发明利用微生物菌株矿化作用产生碳酸钙作为胶结材料，完全取代传统的水泥基胶凝材料，能显著减少因为生产水泥而消耗的不可再生化石燃料以及降低环境污染问题，对建设环境友好型与资源节约型社会具有重要意义。

(2)本发明能随时调节压浆材料的流动性能，压浆过程中可避免出现使用水泥基压浆材料堵管的情况，操作简便，凝结速度快，能满足强度要求。

(3)采用本发明压浆材料在压浆结束后，用清水能快速冲洗清洁，避免传统水泥基材料因灌浆时间太长而可能在压浆设备内凝固，导致出现难以清洗的问题而影响设备的再次使用。

(4)本发明提供了一种新的环保节能无污染的解决水泥路面脱空方法，不仅可用于路面脱空处治，还能用于路面结构裂缝处修复，为水泥路面的养护与修补提供了新的思路与方法。

附图说明

图1为本发明处治水泥路面脱空处的示意图。

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。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以下各实施例中所用的原料：巴氏芽孢八叠球菌来源于美国菌种保藏中心，编号为ATTC 11859；蜡状芽孢杆菌采用广东环凯微生物科技有限公司的CMCC(B)63303菌种；赖氨酸芽孢杆菌采用美国MicroBioLogics ATCC 4525菌种；微杆菌采用北京豫维科技有限公司B-36菌种。

微生物菌株在掺入制备压浆材料前，先使用0.2～1.2mol/L的Na(OH)2溶液将培养基pH值调整为7.0～8.0，将10～20份的巴氏芽孢八叠球菌等微生物菌株接种至调整后的培养基中，然后放入振荡培养箱(33～40℃，160～180r/min)中进行培养，培养24h后即可得到压浆材料所用菌液。

以下各实施例中，如无特别说明的原料或技术，则表明均为本领域的常规市售原料或常规处理技术。

实施例1

一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料，其组成及含量按重量份为：10份巴氏芽孢八叠球菌、18份营养液、2份凝固剂、60份砂、10份水。其中，营养液包括0.5mol/L尿素、0.5mol/L磷酸二氢钾、0.5mol/L蛋白胨、0.5mol/L乙酸钙、0.5mol/L葡萄糖、0.5mol/L酵母、0.5mol/L氯化铵、0.5mol/L氯化钠、0.5mol/L硫酸镁，凝固剂包括10g/L琼脂、5g/L黄原胶、8g/L卡拉胶。砂采用细度模数为2.1的细砂。

采用上述压浆材料处治水泥路面脱空的处理方法，参见图1所示，包括以下步骤：

A.将优选出脲霉活性较高的巴氏芽孢八叠球菌放入营养液中培养，调节培养液pH值始终保持在7.5左右；

B.将培养好的菌液、凝固剂与水充分混合搅拌均匀，在常温下以150rpm的搅拌速度搅拌3min；

C.将搅拌均匀的混合液与砂混合搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌时间控制在5min，最终制备出具有一定流动度与强度的微生物基压浆材料。

D.使用压浆机1将制备好的微生物基压浆材料压入路面脱空处2，压浆时压浆机压力为2MPa，搅拌速度为300rpm，待压浆材料溢出钻孔时停止灌浆。

为测试该微生物压浆材料的强度是否满足相关规范要求，按照本发明提供的材料配比成型40mm×40mm×40mm的微生物水泥砂浆试件，待其成型3d后进行抗压强度试验，测得其强度为3.9MPa，符合《公路水泥混凝土路面养护技术规范(JTJ073.1-2001)》中规定的3MPa，因此可用该压浆材料对一般水泥混凝土路面脱空处进行处理。

此外，在灌浆处理路面脱空过程中，压浆机使用完后仅需用水直接冲洗便能清洗干净，内部无凝固胶凝导致的难清洗问题发生。

本实施例中的巴氏芽孢八叠球菌同样可以用蜡状芽孢杆菌、赖氨酸芽孢杆菌、微杆菌等替代。

对比例1

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本对比例中：30份巴氏芽孢八叠球菌。使用该微生物压浆材料制备的微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为不到4.0MPa。

对比例2

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本对比例中：5份巴氏芽孢八叠球菌。使用该微生物压浆材料制备的微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为0.5MPa。

为体现本发明所限定工艺条件的必要性或创新性，设计了针对具有较大影响压浆材料性能的工艺条件(如微生物菌株等成分的添加量等)的单因素对比例，结果表明：当微生物菌种添加量为30份时，微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为不到4.0MPa，相比于对比例1仅提高了不到0.1MPa，提升幅度较小，会由于营养液不足而导致微生物菌株数量过多而浪费。当微生物菌种添加量为5份时，微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为0.5MPa，完全不符合规范要求的3MPa，此时微生物菌株数量较少且营养液过多，还会导致营养液的浪费。

对比例3

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本对比例中：未加入凝固剂。同样，经过抗压强度测试后，发现使用该微生物压浆材料制备的微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为3.5MPa。

为体现出添加凝固剂对微生物压浆材料的影响，设计了未添加凝固剂的对比例3，测得未添加凝固剂的微生物水泥砂浆试件的3d抗压强度为3.5MPa，明显低于实施例1的3.9MPa，可见，凝固剂的添加可以明显提高压浆材料的抗压强度，反映出凝固剂的添加可使得压浆材料的微生物矿化效果变好。

此外，测试中还发现未添加凝固剂的微生物水泥砂浆的流动性太大，且溶液与砂颗粒容易发生分离，最终影响微生物的矿化效果。

实施例2

一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料，其组成及含量按质量比为：15份巴氏芽孢八叠球菌、16份营养液、4份凝固剂、60份砂、15份水。其中，营养液包括1mol/L尿素、1mol/L磷酸二氢钾、1mol/L蛋白胨、1mol/L乙酸钙、1mol/L葡萄糖、1mol/L酵母、1mol/L氯化铵、1mol/L氯化钠、1mol/L硫酸镁，凝固剂包括15g/L琼脂、8g/L黄原胶、12g/L卡拉胶。砂采用细度模数为1.8的细砂。

采用上述压浆材料处治水泥路面脱空的处理方法，参见图1所示，包括以下步骤：

A.将优选出脲霉活性较高的巴氏芽孢八叠球菌放入营养液中培养，调节培养液pH值始终保持在8左右；

B.将培养好的菌液、凝固剂与水充分混合搅拌均匀，在常温下以200rpm的搅拌速度搅拌3min；

C.将搅拌均匀的混合液与砂混合搅拌，搅拌速度为400rpm，搅拌时间控制在4min，最终制备出具有一定流动度与强度的微生物基压浆材料。

D.使用压浆机1将制备好的微生物基压浆材料压入路面脱空处2，压浆时压浆机压力为3.5MPa，搅拌速度为400rpm，待压浆材料溢出钻孔时停止灌浆。

为测试该微生物压浆材料的强度是否满足相关规范要求，按照本发明提供的材料配比成型40mm×40mm×40mm的微生物水泥砂浆试件，待其成型3d后进行抗压强度试验，测得其强度为4.4MPa，符合《公路水泥混凝土路面养护技术规范(JTJ073.1-2001)》中规定的3MPa，因此可用该压浆材料对一般水泥混凝土路面脱空处进行处理。

此外，在灌浆处理路面脱空过程中，压浆机使用完后仅需用水直接冲洗便能清洗干净，内部无凝固胶凝导致的难清洗问题发生。

实施例3

一种利用微生物菌株处治水泥路面脱空的压浆材料，其组成及含量按质量比为：20份巴氏芽孢八叠球菌、20份营养液、5份凝固剂、45份砂、10份水。其中，营养液包括1.5mol/L尿素、1.5mol/L磷酸二氢钾、1.5mol/L蛋白胨、1.5mol/L乙酸钙、1.5mol/L葡萄糖、1.5mol/L酵母、1.5mol/L氯化铵、1.5mol/L氯化钠、1.5mol/L硫酸镁，凝固剂包括20g/L琼脂、18g/L黄原胶、19g/L卡拉胶。砂采用细度模数为1.6的细砂。

采用上述压浆材料处治水泥路面脱空的处理方法，参见图1所示，包括以下步骤：

A.将优选出脲霉活性较高的巴氏芽孢八叠球菌放入营养液中培养，调节培养液pH值始终保持在8.5左右；

B.将培养好的菌液、凝固剂与水充分混合搅拌均匀，在常温下以300rpm的搅拌速度搅拌3min；

C.将搅拌均匀的混合液与砂混合搅拌，搅拌速度为500rpm，搅拌时间控制在3min，最终制备出具有一定流动度与强度的微生物基压浆材料。

D.使用压浆机1将制备好的微生物基压浆材料压入路面脱空处2，压浆时压浆机压力为2.7MPa，搅拌速度为300rpm，待压浆材料溢出钻孔时停止灌浆。

为测试该微生物压浆材料的强度是否满足相关规范要求，按照本发明提供的材料配比成型40mm×40mm×160mm的微生物水泥砂浆试件，待其成型3d后进行抗压强度试验，测得其强度为4.9MPa，符合《公路水泥混凝土路面养护技术规范(JTJ 073.1-2001)》中规定的3MPa，因此可用该压浆材料对一般水泥混凝土路面脱空处进行处理。

此外，在灌浆处理路面脱空过程中，压浆机使用完后仅需用水直接冲洗便能清洗干净，内部无凝固胶凝导致的难清洗问题发生。

实施例4

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：压浆材料的配方为：15份微生物菌株(巴氏芽孢八叠球菌)，30份营养液，10份凝固剂，70份砂，30份水。

实施例5

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：压浆材料的配方为：10份微生物菌株(巴氏芽孢八叠球菌)，25份营养液，1份凝固剂，30份砂，15份水。

实施例6

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：营养液包括0.1mol/L尿素、2mol/L磷酸二氢钾、0.1mol/L蛋白胨、0.1mol/L乙酸钙、2mol/L葡萄糖、0.1mol/L酵母、2mol/L氯化铵、0.1mol/L氯化钠、2mol/L硫酸镁。

实施例7

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：营养液包括2mol/L尿素、0.1mol/L磷酸二氢钾、2mol/L蛋白胨、2mol/L乙酸钙、0.1mol/L葡萄糖、2mol/L酵母、0.1mol/L氯化铵、2mol/L氯化钠、0.1mol/L硫酸镁。

实施例8

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：凝固剂包括5g/L琼脂、10g/L黄原胶、10g/L卡拉胶。

实施例9

与实施例1相比，绝大部分都相同，除了本实施例中：凝固剂包括20g/L琼脂、20g/L黄原胶、5g/L卡拉胶。

上述各实施例中，采用的砂的细度模数可以在2.2-1.6范围内任意选择。

以上实施例4-实施例9所制备的压浆材料在灌浆处理路面脱空过程中，压浆机使用完后仅需用水直接冲洗便能清洗干净，内部无凝固胶凝导致的难清洗问题发生。

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。