一种产物具有粘性的微生物自修复剂及其应用

本发明涉及混凝土材料领域，特别是涉及一种微生物自修复材料及其应用。

背景技术：

混凝土是一种重要的建筑材料，应用十分广泛。由于混凝土自身的脆性以及复杂的服役环境，混凝土的开裂不可避免。而混凝土的裂缝若未能及时得到修复，氧气、水分和侵蚀介质会不断从材料表面缺陷逐渐渗入，造成更为严重的盐结晶膨胀和钢筋锈蚀膨胀，最终加速混凝土的劣化。传统的混凝土修复手段，如注浆，表面填补等方式需要消耗大量的人力和物力，且存在裂缝发现不及时和修复滞后的问题。

目前，自修复混凝土技术成为近年来最受关注的提升混凝土耐久性的技术之一。采用微生物矿化技术进行水泥基材料的修补由于环境友好、无毒无害而备受关注。但是，现有技术中修复产物呈粉末状的，容易被冲走；且自修复混凝土材料中的微生物萌发和增殖均需要一定的时间，且这个过程中钙、镁离子的溶出一直存在，溶出的钙、镁离子不能被利用形成修复产物，修复效果难以保证。

技术实现要素：

发明目的：本发明的目的之一是提供一种产物具有粘性的微生物自修复剂，修复效果优异，稳定性好；本发明的目的之二是提供一种微生物自修复剂的应用方式。

技术方案：本发明所述的一种产物具有粘性的微生物自修复剂，包括产絮凝物质的微生物菌剂、含糖物质、氮源及其他外加物。

优选地，产絮凝物质的微生物菌剂与含糖物质两者的质量比为1∶1～200，过高的糖类物质容易影响微生物的渗透压，造成微生物脱水而失去活力。

本发明采用产絮凝物质的微生物在富糖(包含单糖，二糖和多糖)条件下，通过菌体本身、以及分泌物的吸附架桥作用和絮凝团聚能力形成更具粘结能力的矿化产物；微生物分泌产物是指真菌或细菌在生长和增殖过程中产生的胞外多糖、多肽这一类生物大分子物质，这些分子含有的羧基、羟基、氨基等活性基团，通过氢键、范德华力、离子键和静电吸引力的作用，捕获修复过程中的带正电离子，快速形成立体沉积物。

其中，产絮凝物质的微生物为胶质芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和耐碱酵母中的至少一种；含糖物质可以为单糖、二糖和多糖中的至少一种，含糖分的部分农业产物也可以作为自修复剂组分中的含糖物质，如玉米粉、小麦粉等，用于促进生产微生物分泌物。

优选地，所述自修复剂还包括氮源，微生物菌剂与氮源的质量比为1∶0.1～0.5，氮源为酵母提取物、蛋白胨和牛肉膏中至少一种；过高的氮源比例不利于内芯的造粒，添加困难。

优选地，所述自修复剂还包括外加剂，微生物菌剂与外加剂的质量比为1∶0.05～0.5，外加剂为钙源组合剂和氧气补充剂，用于提供钙离子和溶解氧。其中，钙源组合剂包含质量分数为20％～70％的过氧化钙，30％～80％的硝酸钙和碳酸钙。

其中，微生物自修复剂中加入氮源和外加剂，能促进微生物生长，提高裂缝区细菌浓度，增加微生物絮凝物质的产量。

即：微生物分泌物的大量形成需要有碳源和氮源以及合适的碳氮源比例，碳源可以为葡萄糖，淀粉，果糖等单糖、双糖或多糖的一种或多种混合物，其氮源可以为酵母提取物，蛋白胨，牛肉膏的一种或多种；部分农业副产品或农业废弃物也可以被用于促进生产微生物分泌物，如玉米粉，小麦粉等。

本发明还提供了上述微生物自修复剂在混凝土中的应用方式。将微生物自修复剂加入混凝土中进行裂纹的自修复，每立方米混凝土中微生物自修复剂的加入量为3～20千克。

优选地，为避免含糖物质对混凝土水化和凝结时间的影响，将微生物自修复剂制备成具有保护作用的核壳结构，随后添加进入混凝土中，将微生物自修复剂(微生物菌剂、含糖物质、氮源和外加剂)通过挤出造粒的方法制备成内芯，随后用低碱水泥或有机高分子镀膜包裹内芯。

具体步骤如下：

(1)将微生物自修复剂通过挤出造粒的方法制备成内芯；内芯的直径为1～3mm，内芯含水率为10～30wt％；

(2)采用低碱水泥或有机高分子镀膜包裹内芯，形成具有核壳结构的微生物自修复颗粒；其中，微生物自修复颗粒中包覆层的质量占比≤50wt％，此限定是为了限制低碱水泥作外保护壳时的用量，过多的低碱水泥用量容易会造成修复剂有效成分(内芯)过少。

(3)将制备得到的微生物自修复颗粒加入混凝土中，进行裂纹的自修复。

其中，所用的微生物菌株在加入前宜通过芽孢或干细胞的方式加入，用于保存活性。

其中，加入微生物自修复颗粒的混凝土在自然降水环境、干湿循环或水饱和环境中养护，因此本发明极大地缓解了普通微生物自修复剂在修复过程中的水依赖性问题，在自然降水条件下即可以实现混凝土修复，而在浸泡水环境或干湿循环环境中更佳。

其中，混凝土裂缝修复过程中的温度在15～40℃范围为宜。

微生物自修复的过程是将碳酸盐沉淀菌、营养物质和沉淀前驱体预先混入混凝土中；待出现裂缝后，裂纹周围的细菌被水分和氧气激活，并沉淀生物方解石以愈合裂纹。本修复剂的意义在于：微生物在生长、萌发的过程中分泌的胞外聚合物能显著的吸附钙镁离子，使裂缝区间的阳离子不流失，提升修复效果；此外有益的是，微生物分泌的有机物具有大量的活性基团，这些分子基团能使修复产物更加致密。

发明原理：本发明利用微生物菌体本身、以及分泌物的吸附架桥作用和絮凝团聚能力形成更具粘结能力的矿化产物。微生物的协同作用表现为在微生物的低浓度阶段分泌物吸附带正电离子，减少阳离子迁出裂缝区间；在高浓度阶段，通过分泌物间的氢键、范德华力形成立体沉积物，使修复产物紧密堆积。微生物分泌产物是由真菌或细菌在生长和增殖过程中产生的胞外多糖、多肽这一类生物大分子物质，这些分子含有的羧基、羟基、氨基等活性基团，通过氢键、范德华力、离子键和静电吸引力的作用，捕获修复过程中的带正电离子，快速形成立体沉积物，能有效减少离子的溶出和修复产物的流失。本发明的技术难点在于：由于微生物分泌产物的吸附架桥能力和絮凝团聚是由于微生物分泌的可溶和不可溶的胞外聚合物造成的，在碱性环境中仍能分泌较多胞外聚合物的微生物是本方法的核心，包含有胶质芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和耐碱酵母的至少一种。

有益效果：

(1)本发明能显著提升微生物自修复混凝土修复产物的粘性，进而提升修复效果；本发明利用了微生物菌体本身和分泌产物的吸附架桥作用和絮凝团聚能力，在修复过程中不断吸附钙离子，减少钙离子溶出，增加修复产物。与普通微生物自修复混凝土相比，本方法诱导的修复产物能紧密堆积形成粘结性更好、尺寸更大的修复产物；提升了修复产物的稳定性，减少修复产物流失，进而提高混凝土的耐久性。

(2)与以往微生物自修复混凝土产物不同，本发明提供的微生物自修复混凝土产物能形成立体团聚的修复产物，是有机-无机复合产物，团聚产物大小可大于等于1毫米。

(3)与以往微生物自修复混凝土产物不同，本发明提供的微生物自修复混凝土产物之间有更强的粘聚性，主要是借助了生物大分子间的氢键、范德华力、离子键和静电吸引力。

(4)与以往微生物自修复混凝土不同，本发明提供的微生物修复剂，微生物分泌物具有保水能力，极大地缓解了普通微生物自修复剂在修复过程中的水依赖性问题，在自然降水条件下即可以实现混凝土修复。

附图说明

图1为实施例1中本方法诱导形成的尺寸更大、粘性更好的修复产物的光学显微镜图片。

图2为实施例2和对比例2的修复产物sem图片；其中，图(a)、(b)为实施例2中不同放大倍数下的修复产物的图片，图(c)为对比例2中其他微生物自修复剂在混凝土裂缝表面形成的修复产物。

图3为实施例3中诱导形成的修复产物的红外分析图，标注峰为微生物所产蛋白质和多糖的特征峰。

图4为本发明制备的自修复混凝土修复后的x射线断层分析图。

图5为具有核壳结构的微生物自修复颗粒照片，使用的为有机保护外层。

图6为自修复混凝土修复后的超声波传播速度变化和抗水渗透能力变化结果；图(a)为超声波传播速度变化结果，图(b)为抗水渗透能力变化结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步地详细描述。

本发明中的微生物为胶质芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌和耐碱酵母的至少一种；碳源可以为葡萄糖、淀粉、果糖等单糖，双糖、多糖和农业产物的一种或多种混合物；氮源可以为酵母提取物，蛋白胨的一种或多种。为避免糖分对混凝土造成微生物自修复剂加入方式为以载体形式添加，具体是采用自修复组分(微生物菌剂、含糖物质、氮源和外加剂)通过挤出造粒的方式制备成内芯，内芯含水率在10％～30wt％之间，随后利用低碱水泥或有机高分子镀膜将内芯包裹。为保证本方法的技术效果，微生物应该以芽孢或干燥细胞的方式添加。本方法中微生物细胞和营养物的质量比宜在1∶1～200之间。

实施例1：

本实施例中的微生物自修复剂包含有2g酵母和胶质芽孢杆菌复合菌群，以及20g葡萄糖。

将该微生物自修复剂在饱和的氢氧化钙溶液中持续矿化3天，过滤得到微生物矿化产物，如图1所示为本实施例诱导形成的尺寸更大、粘性更好的修复产物图片，可以看到修复产物紧密团聚，产物的直径大于1毫米，且产物呈现稳定的片状，这主要是由于酵母和胶质芽孢杆菌的复合菌群及其分泌物形成的有机网络吸附了离子，随后离子成核形成的晶体亦被有机网络吸引形成立体沉积。

本实施例中的微生物修复剂矿化能力强，相较于其他微生物自修复剂(具体配比见对比例2)，如图2(c)所示，对比例2的修复产物主要为50～100微米大小的碳酸钙颗粒，并不能形成连续紧密的修复产物。

实施例2：

本实施例中的微生物自修复剂包含3g酵母和胶质芽孢杆菌的混合菌群，5g葡萄糖和1.5g酵母提取物，微生物自修复剂以载体保护的形式加入砂浆中。

本实施例采用水泥450g、砂1350g、自来水225g，搅拌过程中加入本修复剂，搅拌成型得到试件。

具体步骤为：首先将微生物自修复剂通过挤出造粒的方法制备成直径为2mm的内芯，内芯含水率为20wt％；再采用低碱硫铝酸盐水泥包裹内芯，形成具有核壳结构的微生物自修复颗粒；其中，微生物自修复颗粒中包覆层的质量占比为50wt％；最后将制备得到的微生物自修复颗粒(载体保护)加入砂浆中，进行裂纹的自修复。

标准养护7d后制造裂缝，将试件置于环境温度为25℃条件下进行浸水通气养护，修复产物的sem图片如图2(a)和图2(b)所示。sem观察表明，本修复剂所形成的混凝土裂缝修复产物中，微生物作为成核位点，吸附离子成核，且酵母菌体牢牢地将修复产物固结在一起，形成的产物堆积紧密。

实施例3：

本实施例采用在每立方米c35p8混凝土中，以载体保护的形式入2kg酵母和胶质芽孢杆菌的混合菌群，5kg蔗糖和1kg酵母提取物。

具体步骤为：首先将微生物自修复剂通过挤出造粒的方法制备成直径为2mm的内芯，内芯含水率为30wt％；再采用低碱硫铝酸盐水泥包裹内芯，形成具有核壳结构的微生物自修复颗粒；其中，微生物自修复颗粒中包覆层为8kg；最后将制备得到的微生物自修复颗粒(载体保护)加入砂浆中，进行裂纹的自修复。

将掺量为16kg的自修复剂通过负载的方式加入1立方米混凝土中，在搅拌混凝土时加入。开裂后，在自然状态下进行养护28天(其中有降雨天数为9天)，其裂缝处的修复产物的红外分析如图3所示，标注峰为微生物所产蛋白质和多糖的特征峰，修复产物中有明显的微生物分泌的生物大分子，1650cm^-1处的红外吸收峰对应为微生物分泌物中的多肽(羰基)。

实施例4：

本实施例的微生物自修复剂适用于常温环境下，具体是每立方米混凝土中掺入3kg酵母和胶质芽孢杆菌的混合菌群，4kg玉米粉和1.5kg酵母提取物，外加剂为0.5kg。

具体步骤为：首先将微生物自修复剂通过挤出造粒的方法制备成直径为3mm的内芯，内芯含水率为25wt％；再采用低碱硫铝酸盐水泥包裹内芯，形成具有核壳结构的微生物自修复颗粒；其中，制备成具有核壳保护的颗粒，使用低碱水泥制作外部的包覆层(质量占比47.06％)。

将17kg的自修复剂在搅拌时加入1立方米c35p8的混凝土中，等质量取代砂子，具体配比如下表1所示。

表1、c35p8混凝土配合比

在室温环境下制备出混凝土，表面引入0.5毫米宽的裂缝，将试件置于室温下进行干湿循环养护，养护28天后通过x射线断层扫描观察裂缝的修复情况，附图4为所取选区的三维分析图，表征出修复产物在裂缝区间的分布情况，可知最大修复深度已经到达2.5厘米，该方法有助于将修复产物保留在裂缝区间，提升修复效果。

实施例5：

本实施例的微生物自修复剂适用于常温环境下，具体是在每立方米混凝土中，掺入4kg酵母和胶质芽孢杆菌的混合菌群，5kg玉米粉和2kg酵母提取物，1kg外加剂。

具体步骤为：首先将微生物自修复剂通过挤出造粒的方法制备成直径为3mm的内芯，内芯含水率为25wt％；再采用树脂包裹内芯，形成具有核壳结构的微生物自修复颗粒；其中，制备成具有核壳保护的颗粒，使用低碱水泥制作外部的包覆层(包覆层的质量占比为7.7％)。制备成具有核壳保护的颗粒如图5所示。

将制备得到的13kg的自修复剂在搅拌时加入1立方米c35p8的混凝土中，等质量取代砂子。

对比例1：

本对比例为普通混凝土构件，即采用与实施例5相同的混凝土配比，但不引入微生物修复剂。

对比例2：

本对比例采用其他微生物自修复剂，3kg嗜碱芽孢杆菌菌粉和5千克乳酸钙加入常规修复剂的混凝土构件。

上述实施例5、对比例1、2具体配比可见下表2所示。

表2、实施例5和对比例1、2的混凝土配合比

同时配制对比混凝土，将实施例5和对比例1、2相比较，在25℃环境下制备出混凝土，表面引入0.5毫米宽的裂缝，将试件置于环境温度为25℃条件下进行浸水通气养护，养护28天后测定带裂缝试件的超声声速和渗透系数，结果如图6所示。

可以看出：对比例1额普通混凝土的超声声速基本没有提升，表明裂缝区间密实度没有明显增加；同时，对比例2的微生物自修剂的超声声速仅有2.2km/s左右，结合渗水测试，表明对比例2的微生物自修复剂对裂缝的修复有限；而掺本发明提供的自修复剂后，裂缝区超声声速恢复到3.0km/s以上；裂缝区抗水渗透压力达到0.02mpa，该方法较好地填充了裂缝区。

因此，本发明提供了一种产物具有粘性的微生物自修复剂，该方法应用在混凝土时，能显著提升修复产物的粘性，进而提升修复效果。所述方法利用了微生物菌体本身和分泌产物的吸附架桥作用和絮凝团聚能力，在修复过程中不断吸附钙离子，减少钙离子溶出，增加修复产物。微生物的分泌产物是指真菌或细菌在生长和增殖过程中产生的胞外多糖、多肽这一类生物大分子物质；这些分子含有的羧基、羟基、氨基等活性基团，通过氢键、范德华力、离子键和静电吸引力的作用，捕获修复过程中的带正电离子，快速形成立体团聚的沉积物。与普通微生物自修复剂相比，本方法诱导的修复产物能紧密堆积形成粘结性更好、尺寸更大的修复产物；提升了修复产物的稳定性，减少修复产物流失，进而提高混凝土的耐久性。