一种多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法与流程

1.本发明涉及混凝土添加剂技术领域，具体涉及一种多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法。


背景技术：

2.在气候、温度、湿度等环境因素的共同影响下，混凝土在服役过程中其结构内部不可避免地会产生微细裂缝，当微细裂缝的数量与大小到达一定程度后会造成混凝土承载能力、抗渗和抗冻能力降低等问题，给工程结构带来了重大的安全隐患。
3.要减小混凝土产生的微细裂缝带来的工程安全隐患，需要对微细裂缝进行修复，由于环境监测困难和技术水平有限，微细裂缝的修复一直是业界的一个难点。近年来随着微生物技术的发展，这一难点得到了一定的突破。研究发现，部分微生物能在混凝土的高碱环境中生存，且在含有尿素的环境下，微生物分解尿素产生碳酸钙，在混凝土中沉积出固体状态的碳酸钙从而修补混凝土中的微细裂缝。然而，如果在混凝土中直接加入微生物，混凝土在搅拌以及水化过程中发生互相挤压与碰撞，对微生物造成不可逆的损伤。为了避免微生物在挤压和碰撞时候发生损伤，现采用微胶囊包裹微生物的方式对微生物的进行保护，微胶囊包裹微生物主要有两方面的作用，一是固定微生物中的营养物质，避免流失；二是为微生物生长代谢提供微环境，缓冲混凝土中高碱环境和狭小空间对微生物的挤压，维持微生物活性，但微胶囊属于混凝土的外掺物，其强度往往不高且一般不会参与混凝土的水化反应，从而导致混凝土结构整体的强度降低。此外，现有技术采用球形芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、巴氏芽孢杆菌等常见的微生物菌种在混凝土中分解尿素沉积出碳酸钙，随着细菌的不断代谢，细菌表面也会持续沉积碳酸钙，最终大量碳酸钙包裹细菌表面使得细菌停止代谢，从而影响微裂缝的持续修复，进而降低整体混凝土的修复效率。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法，以解决微胶囊包裹微生物加入混凝土后导致混凝土强度降低以及微生物菌种表面沉积碳酸钙降低混凝土微裂缝修复效率的问题。
5.为了达到上述目的，提供的技术方案如下：
6.一种多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法，具体包括以下步骤：
7.1)使用去离子水配制25-35g/l的胰酪胨大豆肉汤培养基；
8.2)将步骤1)中得到的胰酪胨大豆肉汤培养基在115-130℃、0.1mpa下灭菌处理25-35min；
9.3)在步骤2)得到灭菌后的培养液中，加入质量分数为1-2％的尿素，得到尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基；
10.4)将步骤3)得到的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基均分为两份分装到两个培养皿中，在两个培养皿中分别加入巴氏芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌，将两个培养皿一同放入振
荡箱中培养巴氏芽孢杆菌与苏云金芽孢杆菌；
11.5)将步骤4)中培养好的巴氏芽孢杆菌与苏云金芽孢杆菌按照70％:30％到95％:5％的比例范围接种到同一个全新的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基后，在25-35℃、180-230rpm的振荡箱中继续培养20-25h；
12.6)在步骤5)中得到含有多菌种的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基中加入质量分数为3-8％的微生物载体，浸泡20-30h后取出微生物载体并在30-40℃下烘干至恒重，冷却到室温后即得所述多菌种复合混凝土自修复添加剂。
13.本方案具有的有益效果如下：
14.1.与现有技术中采用微胶囊包裹微生物的方法相比，本方案选用微生物载体来承载微生物，微生物载体本身含有带硅、镁、钙、铝等氧化物，能够参与混凝土的水化反应，对混凝土的后期性能不会造成太大的影响。
15.2.与现有技术采用的微生物相比，本方案选用巴氏芽孢杆菌、苏云金芽孢杆菌结合作为混凝土微裂缝自修复的主要菌种，其中巴氏芽孢杆菌能分解尿素并产生碳酸钙从而起到修复裂缝的效果，而苏云金芽孢杆菌是革兰氏阳性菌，其表面能吸附碳酸钙，因此碳酸钙会优先在苏云金芽孢杆菌表面沉积，此外，苏云金芽孢杆菌繁殖速度极快，能够持续沉积碳酸钙，在最大程度上降低巴氏芽孢杆菌被碳酸钙包裹的概率，从而提升微裂缝的修复效果。
16.3.本方案采用的多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法简单，适宜于批量化生产。
17.进一步，所述步骤3)和步骤4)中振荡箱的温度为25-35℃，培养时间为15-30h，转速为180-230rpm。此温度、培养时间和转速区间更适宜菌种生长。
18.进一步，所述巴氏芽孢杆菌与苏云金芽孢杆菌的od
600
≥1.2时即可停止培养。
19.进一步，所述步骤5)中巴氏芽孢杆菌与苏云金芽孢杆菌的比例中，巴氏芽孢杆菌占比为80％-90％。此占比的巴氏芽孢杆菌分解尿素产生的碳酸钙能修复混凝土中的微细裂缝，又不影响苏云金芽孢杆菌吸附碳酸钙。
20.进一步，所述步骤6)中微生物载体为硅藻土、偏高岭土与陶粒的一种或多种组合。通过硅藻土、偏高岭土与陶粒等载体来承载微生物，此类载体与混凝土相容性较好，不会对混凝土性能造成太大的影响。
21.进一步，所述步骤4)中振荡箱在使用时处于密封状态。防止振荡时将菌体甩出。
22.进一步，所述多菌种复合混凝土自修复添加剂占混凝土中胶材的质量百分比为3-5％。此占比区间内的添加剂既能达到修复混凝土微细裂缝效果，又节省添加剂的使用量。
附图说明
23.图1为混凝土试块人工制备微裂缝与抗压强度测试方向的示意图；
24.图2为各实验组混凝土试块的28d抗压强度测试结果柱状示意图。
具体实施方式
25.下面通过具体实施方式进一步详细说明，按照以上制备步骤形成4个具体实施例：
26.实施例1
27.一种多菌种复合混凝土自修复添加剂的制备方法，具体包括以下步骤：
28.第一步：使用量筒分别量取1l去离子水和30ml胰酪胨大豆肉汤置于烧杯中，并用干燥的玻璃棒搅拌均匀配制得到浓度为30g/l的胰酪胨大豆肉汤培养基，胰酪胨大豆肉汤培养基的英文全称为trypticase soy broth，简称为tsb；
29.第二步：将装有浓度为30g/l的胰酪胨大豆肉汤培养基的烧杯放置在温度为121℃，压强为0.1mpa的高压蒸汽灭菌器中30min进行灭菌处理；
30.第三步：在灭菌完后的胰酪胨大豆肉汤培养基的烧杯中加入质量分数为1.5％的尿素，并用玻璃棒搅拌均匀得到尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基；
31.第四步：取等量烧杯中的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基分装到两支试管中，两支试管中分别加入巴氏芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌，再将两支试管放入振荡箱中进行振荡培养巴氏芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌，将振荡箱关闭处于密封状态且其中温度设置为30℃，转速为200rpm，振荡到24h时测得巴氏芽孢杆菌与苏云金芽孢杆菌的od
600
＝1.2，停止培养，这里的od
600
代表菌体细胞密度；
32.第五步：将两支试管中培养好的巴氏芽孢杆菌和苏云金芽孢杆菌使用移液器按照85:15的比例同时混合接种到装有全新的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基试管中，得到多菌种的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基，再将试管放入振荡箱中进行振荡培养，将振荡箱关闭处于密封状态且其中温度设置为30℃，转速为210rpm，振荡到24h时测得多菌种的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基的od
600
＝1.2，停止培养；
33.第六步：将装在试管中培养好的多菌种的尿素-胰酪胨大豆肉汤培养基转移到烧杯中，在烧杯中加入质量分数为5％的微生物载体，微生物载体选用偏高岭土，偏高岭土在烧杯中浸泡25h后取出，取出后的偏高岭土在37℃下烘干至恒重，冷却到室温后即得所述多菌种复合混凝土自修复添加剂。
34.实施例2
35.实施例2与实施例1的不同在于：第五步中巴氏芽孢杆菌的占比为80％，苏云金芽孢杆菌为20％。
36.实施例3
37.实施例3与实施例1的不同在于：第三步中加入尿素的质量分数为2％。
38.实施例4
39.实施例4与实施例1的不同在于：第六步中微生物载体为40％偏高岭土、30％陶粒、30％硅藻土三者的组合。
40.为检验本发明的多菌种复合混凝土自修复添加剂的有效性，特通过以下对比实验进行验证：
41.1、实验用混凝土配合比如表1所示，按照表1采用360kg金久水泥p
·
o 42.5、778kg细骨料、1032kg粗骨料、和173kg水配制实验用混凝土，混凝土配制的搅拌过程中加入上述实施例中制备得到的多菌种复合混凝土自修复添加剂，具体实验组划分如表2所示，其中实验组0-0为不添加自修复添加剂的空白对照组，只添加偏高岭土载体，为了防止实验误差，每个实验组均分别制备三个试块实验用混凝土，最终测试值结果取三个试块实验用混凝土的平均数。
42.表1实验用混凝土配合比
43.名称金久水泥p
·
o 42.5细骨料粗骨料水含量(kg)3607781032173
44.表2自修复添加剂实验组
45.实验组编号添加剂种类添加剂掺量/％0-0偏高岭土41-3实施例1制备的自修复添加剂31-4实施例1制备的自修复添加剂41-5实施例1制备的自修复添加剂52-4实施例2制备的自修复添加剂43-4实施例3制备的自修复添加剂44-4实施例4制备的自修复添加剂4
46.2、随后根据《gb/t 50081-2019普通混凝土力学性能试验方法标准》制备尺寸为150
×
150
×
150mm的混凝土试块。在薄钢板刷上脱模剂后嵌入混凝土试块表面，人工制备尺寸为100
×
0.3
×
20mm的微裂缝，具体裂缝制备示意图见图1所示，将制备好的样品放入20
±
2℃，湿度大于95％的混凝土标准养护室养护。
47.3、样品持续养护24h后拆除薄钢板，然后在养护箱中继续养护28d测试混凝土抗压强度，具体测试方法按照《gb/t 50081-2019普通混凝土力学性能试验方法标准》进行，为防止实验误差，抗压强度的承压面选择与微裂缝长度方向平行的面，具体示意图参考图1。
48.图2为各实验组所制备的混凝土试块的28d抗压强度测试结果，根据测试结果可知，相对于空白对照实验组0-0，加入各实施例制备得到的多菌种复合混凝土自修复添加剂后，对混凝土试块28d的强度均有所提升，说明本发明所制备的多菌种复合混凝土自修复添加剂对混凝土微裂缝有明显的修复效果。
49.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。