一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土及其制备方法

1.本发明涉及混凝土材料技术领域，特别涉及裂缝自修复混凝土材料技术领域，具体为一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土及其制备方法。


背景技术：

2.随着经济快速发展及人口增长等各种因素，工业废水及生活污水量逐年增长，导致城市环境污染问题日益严重。为保护环境，促进城市经济的可持续发展，城市污水处理厂的建设正在逐步展开。
3.在城市污水环境下，污水处理池一般为埋地式、半埋地式的封闭、半封闭式或敞开露天形态，长期受酸碱等化学品、工业污水、工业大气、紫外线、固体颗粒的流动磨损、冲刷等因素的作用，存在着酸碱腐蚀、大气腐蚀、磨蚀、渗透性胀裂的物理侵蚀，菌藻类的微生物腐蚀等多种复杂的腐蚀形态，还会发生胀裂渗透的物理性破坏，从而形成严重的腐蚀。污水处理池混凝土要受到各种酸、碱、有机物、无机物和微生物的腐蚀，此外机械冲击与磨蚀、气候因素的作用，混凝土腐蚀机理极其复杂。
4.从国内外的各种调查研究来看，污水处理厂的各种混凝土结构都会有不同程度的腐蚀现象，使得这些构筑物的最长服役时间不过20余年，甚至部分设施在使用不足十年后就已严重恶化。显然，现有的混凝土设计方法不适用于污水处理设施。
5.微生物的代谢过程可分为好氧和厌氧两种，好氧代谢主要发生在污水处理池的水面表层处，而厌氧代谢主要发生在水下部位，到目前为止，有证据已经证实了硫杆菌属的细菌表现形式是导致污水条件下混凝土老化的主要因素。它们的新陈代谢产物形成硫酸，侵蚀混凝土的生物基质，造成强度和结合力的丧失，然而硫杆菌只是一个广泛而复杂的腐蚀过程的一部分。硫酸已被确定为一种腐蚀剂，不仅在腐蚀下水道，也在腐蚀污水处理厂。这些威胁因素加上混凝土抗拉强度低，增大了混凝土开裂可能性，混凝土由于开裂而增加的渗透性使钢筋暴露在污水中，这种暴露会导致碳化，酸碱值降低，最终阻碍钢筋的钝化。
6.混凝土裂缝被动修复方法主要包括环氧树脂强化灌浆、使用胶结材料进行重力填充或环氧注射等。但这些方法维修费用高，处理工序复杂，不适合大面积推广使用，不能适应实际工作的要求。目前国内外绝大多数学者采用纯菌作为微生物自修复剂，纯菌的制备费用高，无形之中提高了微生物修复的成本。
7.为此，需研究解决目前污水处理厂的各种混凝土结构腐蚀现象严重，使用寿命低，水条件下混凝土老化严重，现有的修护方法维修费用高，处理工序复杂，不适合推广，不能满足实际工作等一系列问题。


技术实现要素：

8.本发明为了解决目前污水处理池的裂缝自修复保护微生物受高碱环境影响，在污水池这种恶劣、苛刻的条件下进行自修复缓慢，用于污水处理池的修护方法维修费用高，处理工序复杂，不适合推广，不能满足实际工作等一系列问题，提供了一种适用于污水处理池
的裂缝自修复混凝土及其制备方法。
9.本发明采用如下技术实现：本发明提供一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土，包括以下重量份数的组分：增强5~7d且粒径为4.75~26.5mm的再生粗骨料1180~1320份，粒径为2.36~4.75mm的再生细骨料145~235份，水泥300~340份，砂520~610份，粉煤灰110~125份，水170~200份，再生粗骨料上吸附有混菌悬浊液、乳酸、硝酸钙，20~30%的再生细骨料载有营养物质，营养物质为乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸的浓度为55~65g/l，硝酸钙的浓度为55~65g/l。
10.上述适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土的具体制备工艺如下：包括以下步骤：a，制备污泥混合液取污水处理厂的活性污泥、花园土，过筛以除其中含有的杂质，按照质量比为1：1混合均匀，制备成污泥混合液；b，制备微量元素溶液每升蒸馏水中添加0.2g维生素h、0.2g叶酸（维生素b9）、1g维生素b6、0.5g维生素b2、0.5g维生素b1、0.5g烟酸（维生素b3）、0.5g维生素b5、0.01g维生素b12、0.5g对氨基苯甲酸、0.5g硫辛酸，配置完成备用，使用时稀释100倍；c，制备选择培养基每1l污水中添加0.85g乳酸钠（以60%含量计）、0.02g氯化铵、10ml步骤b中制备的微量元素溶液，制备液体选择培养基；其中污水选用自污水处理厂；d，好氧特性驯化取体积比为1:10的污泥混合液和选择培养基，用na3po4调ph至11，覆膜封口，33℃下恒温振荡培养2d，舍上清液取底部的污泥混合溶液，制得经过一次好氧特性驯化的污泥混合溶液；e，厌氧特性驯化取体积比为1:10的步骤d制备的经过一次好氧特性驯化的污泥混合溶液和选择培养基，用na3po4调ph至11，充入氮气除氧15min，封口，恒温振荡培养2d，舍上清液取底部的污泥混合溶液，制得经过一次厌氧特性驯化的污泥混合溶液；为使筛选的混菌能够抵抗污水处理池这种恶劣的环境，形成孢子，采用污水来进行培养驯化；f，传代富集循环步骤d、e进行传代富集，连续培养十个周期后，取瓶底菌液；污水处理池结构的破坏发生在水面表层以及水下，根据已有研究污水对混凝土产生腐蚀的损坏程度不同，受污水冲刷的气液界面处最为严重，因此采用兼性好氧混菌；g，制备菌种将步骤f中所得的瓶底菌液以4000r/min离心20min，取菌泥，在无菌蒸馏水中重悬，稀释至菌体浓度为5.5~6.0
×
106cfu/ml，得到混菌悬浊液；h，增强再生粗骨料采用真空吸附法，利用内外压力差将步骤g制备的混菌悬浊液吸附至再生骨料的表面和内部孔隙中，采用干燥箱在45
±
2℃下干燥，在吸附兼性好氧混菌的再生骨料颗粒表面定时喷洒乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸的浓度为55~65g/l，硝酸钙的浓度为55~
65g/l，持续喷洒增强5~7d，相同温度二次干燥，制得粒径为4.75~26.5mm增强再生粗骨料；由于污水处理池存在一定的水压力，易发生渗透性胀裂，因此对强度和抗渗性能有一定的要求，采用增强5~7d后的再生粗骨料为载体固载微生物；i，制备载有营养物质的再生细骨料采用真空吸附法，利用内外压力差将乳酸和硝酸钙的混合溶液，吸附至再生细骨料表面和内部孔隙中，制得粒径为2.36~4.75mm再生细骨料；其中乳酸的浓度为55~65g/l，硝酸钙的浓度为55~65g/l。由于污水中存在一部分可利用的营养物质，故利用20~30%的再生细骨料固载营养物质，其余再生细骨料不固载营养物质，并采用较小的水灰比，既保证了混凝土的力学性能，又节约了投入营养物质的成本；j，制备自修复混凝土将步骤h制得的增强再生粗骨料1180~1320份、再生细骨料145~235份、砂520~610份及170~220份水中的40%投入搅拌机中，拌和30s；水泥300~340份、粉煤灰110~125份、剩余的水加入搅拌机中搅拌3~4min；其中，145~235份的再生细骨料中20~30%为步骤i制得的载有营养物质的再生细骨料。混凝土中掺入粉煤灰后，在人工污水的荷载作用下应力腐蚀、强度损失、膨胀率及钢筋阻锈性能均有明显改善，因此在混凝土中加入粉煤灰以提高其性能。
11.与现有技术相比本发明具有以下有益效果：本发明所设计的适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土及其制备方法，采用污水进行培养驯化，其培养的微生物可在污水处理池这种恶劣苛刻的条件下生存并且可利用污水中的有机质和营养物质进行自我修复，只替代20%~30%的再生细骨料来固载营养物质，既保证了混凝土的力学性能，又节约了投入营养物质的成本，既能在污水池这种恶劣、苛刻的环境下进行裂缝自修复，又能满足足够的力学性能和防渗性能。所用的载体为增强5~7d后的再生骨料，即利用再生骨料表面孔隙为混菌提供附着点，并通过矿化处理增强为微生物提供更好的环境保护，提高再生混凝土的力学性能和工作性能。不仅延长了混凝土结构的耐久性，降低了污水处理池的维护费用，而且污水处理池的建设还可保护环境，促进经济的可持续发展。利用再生骨料为载体制备自修复混凝土，既能解决天然砂石资源短缺问题，又能有效解决建筑垃圾堆放和污染问题，实现了建筑垃圾的资源化利用，非常具有现实意义。本发明采用的微生物为兼性好氧混菌，在氧气充足时，即水面表层处可进行有氧代谢；在缺氧环境下，即水下结构可进行无氧代谢，混菌比纯菌具有更优越的矿化沉积性能，相比纯菌，混菌具有更优越的矿化沉积性能，并且菌株制备费用显著降低，其特性更吻合实际混凝土结构对微生物修复剂的要求。污水不仅可用于培养混菌，还可在接触混凝土时，利用其中的营养物质和基质进行自愈合。经过试验验证，本发明设计的试验方法，经过28天水下修复养护裂缝试验，自修复宽度分别达到了0.65mm、0.74mm、0.83mm，能够保持较高的裂缝完全修复率。本发明设计合理，此种使用于污水处理池的自修复混凝土不仅能在污水池这种恶劣的环境下进行自修复，而且还满足一定的力学性能、抗渗性能，降低了经济成本，实现了可持续发展，具有很大的现实意义和应用价值。
附图说明
12.图1为实施例1的水中修复养护裂缝表观图，a为养护前，b为修复养护14d，c为修复养护28d。
13.图2为实施例2的水中修复养护裂缝表观图，a为养护前，b为修复养护14d，c为修复养护28d。
14.图3为实施例3的水中修复养护裂缝表观图，a为养护前，b为修复养护14d，c为修复养护28d。
具体实施方式
15.下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。
16.实施例1一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土，包括如下质量组分：包括以下重量份数的组分：增强5d且粒径为4.75~26.5mm的再生粗骨料1180份，粒径为2.36~4.75mm的再生细骨料145份，水泥300份，砂575份，粉煤灰110份，水170份，再生粗骨料上吸附有混菌悬浊液、乳酸、硝酸钙，20~30%的再生细骨料载有营养物质，营养物质为乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸和硝酸钙的浓度均为55g/l。
17.上述适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土的制备方法，具体步骤如下：a，制备污泥混合液取污水处理厂的活性污泥、花园土，过筛以除其中含有的杂质，按照质量比为1：1混合均匀，制备成污泥混合液；b，制备微量元素溶液每升蒸馏水中添加0.2g维生素h、0.2g叶酸、1g维生素b6、0.5g维生素b2、0.5g维生素b1、0.5g烟酸、0.5g维生素b5、0.01g维生素b12、0.5g对氨基苯甲酸、0.5g硫辛酸，配置完成备用，使用时稀释100倍；c，制备选择培养基每1l污水中添加0.85g乳酸钠（以60%含量计）、0.02g氯化铵、10ml步骤b中制备的微量元素溶液，制备液体选择培养基；d，好氧特性驯化取10ml污泥混合液和100ml选择培养基加入150ml锥形瓶中，用na3po4调ph至11，使耐高温组培封口膜覆盖瓶口，33℃下恒温振荡培养箱中培养2d，舍上清液取底部的污泥混合溶液，制得经过一次好氧特性驯化的污泥混合溶液；e，厌氧特性驯化取10ml步骤d制备的经过一次好氧特性驯化的污泥混合溶液，加入100ml选择培养基，用na3po4调ph至11，充入氮气除氧15min，封口膜覆盖封口，恒温振荡培养箱中培养2d，舍上清液取底部的污泥混合溶液，制得经过一次厌氧特性驯化的污泥混合溶液；f，传代富集循环步骤d、e进行传代富集，循环十次好氧-厌氧特性驯化，连续培养十个周期后，取瓶底菌液；g，制备菌种将步骤f中所得的瓶底菌液以4000r/min离心20min，取菌泥，在无菌蒸馏水中重悬，稀释至菌体浓度为5.5~6.0
×
106cfu/ml，得到混菌悬浊液；h，增强再生粗骨料
采用真空吸附法，利用内外压力差将步骤g制备的混菌悬浊液吸附至再生骨料的表面和内部孔隙中，采用干燥箱在45
±
2℃下干燥，在吸附兼性好氧混菌的再生骨料颗粒表面定时喷洒乳酸和硝酸钙的混合溶液，乳酸和硝酸钙的浓度均为55g/l，持续喷洒增强5~7d，相同温度二次干燥，制得粒径为4.75~26.5mm增强再生粗骨料；i，制备载有营养物质的再生细骨料采用真空吸附法，利用内外压力差将乳酸和硝酸钙的混合溶液吸附至再生细骨料表面和内部孔隙中，制得粒径为2.36~4.75mm再生细骨料；其中乳酸和硝酸钙的浓度均为55g/l；由于污水中存在一部分可利用的营养物质，故利用20~30%的再生细骨料固载营养物质，其余再生细骨料不固载营养物质；j，制备自修复混凝土将步骤h制得的增强再生粗骨料1180份、再生细骨料145份、砂575份及170份水中的40%（即68份水），投入搅拌机中，拌和30s；水泥300份、粉煤灰110份、剩余的102份水加入搅拌机中搅拌3~4min；其中，145份的再生细骨料中20~30%为步骤i制得的载有营养物质的再生细骨料。
18.对裂缝自修复效果进行了测试，如图1所示，养护前水中待修复裂缝宽度为0.65mm，实施修复后，14d时水中待修复裂缝基本修复，28d时水中待修复裂缝修复完成。
19.实施例2一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土，包括如下质量组分：包括以下重量份数的组分：增强5d且粒径为4.75~26.5mm的再生粗骨料1230份，粒径为2.36~4.75mm的再生细骨料220份，水泥315份，砂520份，粉煤灰115份，水180份，再生粗骨料上吸附有混菌悬浊液、乳酸、硝酸钙，20~30%的再生细骨料载有营养物质，营养物质为乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸和硝酸钙的浓度均为55g/l。
20.除步骤j中的添加组分外，制备方法同实施例1。
21.对裂缝自修复效果进行了测试，如图2所示，养护前水中待修复裂缝宽度为0.74mm，实施修复后，14d时水中待修复裂缝基本修复，28d时水中待修复裂缝修复完成。
22.实施例3一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土，包括如下质量组分：包括以下重量份数的组分：增强7d且粒径为4.75~26.5mm的再生粗骨料1280份，粒径为2.36~4.75mm的再生细骨料150份，水泥330份，砂610份，粉煤灰120份，水190份，再生粗骨料上吸附有混菌悬浊液、乳酸、硝酸钙，20~30%的再生细骨料载有营养物质，营养物乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸和硝酸钙的浓度均为65g/l。
23.步骤h、i中的营养物质中乳酸和硝酸钙的浓度均为65g/l，步骤j中的添加组分依照上述组分，制备方法同实施例1。
24.对裂缝自修复效果进行了测试，如图3所示，养护前水中待修复裂缝宽度为0.83mm，实施修复后，14d时水中待修复裂缝尚存空隙，28d时水中待修复裂缝修复完成。
25.实施例4一种适用于污水处理池的裂缝自修复混凝土，包括如下质量组分：包括以下重量份数的组分：增强7d且粒径为4.75~26.5mm的再生粗骨料1320份，粒径为2.36~4.75mm的再生细骨料235份，水泥340份，砂545份，粉煤灰125份，水200份，再生粗骨料上吸附有混菌悬
浊液、乳酸、硝酸钙，20~30%的再生细骨料载有营养物质，营养物质为乳酸和硝酸钙的混合溶液，其中乳酸和硝酸钙的浓度均为65g/l。
26.除步骤j中的添加组分外，制备方法同实施例3。
27.本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，而且对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。