CN101759410A - 一种微生物增强型水泥基材料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物增强型水泥基材料的制备方法，利用微生物的矿化作用在水泥基材料内部原位矿化形成碳酸钙颗粒，填塞水泥基材料内部孔隙，增强制备水泥基材料的密实度和强度。具体技术方案是：将巴氏芽胞杆菌Bacilluspasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养，当菌株生长至稳定期时，离心，将所得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的菌液按照1.0×103cell/g-1.0×106cell/g的比例与水泥基材料共同拌合成型，室温养护1d后拆模，静置于Ca(NO3)2和尿素混合液中继续养护，即得。与现有技术相比，具有如下优点：1)增强效果显著。2)相容性好。3)成本低廉、环境友好。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型水泥基材料的制备方法，特别涉及利用一种具有碳酸盐矿化特性的土壤细菌，利用其生命过程中的酶化作用在水泥基材料内部矿化沉积出碳酸钙颗粒，填塞孔隙，提高水泥基材料的密实度，制备出微生物增强型水泥基材料。
背景技术
水泥基材料作为目前用量最大的一种建筑材料，其最大的缺点就是在材料制备过程以及服役期间，由于荷载及和外界因素的作用，其表面容易产生疏松、剥落等缺陷，甚至在材料内部产生微裂缝，外界水和侵蚀性介质不断从材料表面缺陷逐渐渗入，最终将引起混凝土耐久性能的加速劣化。降低水泥基材料的孔隙率，提高其密实度，成为增强水泥基材料耐久性能最根本的途径。
生物矿化作用是自然界广泛发生的一种作用，它是生物形成矿物的作用，是在生物的特定部位，在一定物理化学条件下，在生物有机物质的控制或影响下，将溶液中的离子转变为固相矿物的作用。几乎每一种生物都能合成矿物，许多类型的有机体在其细胞和组织位置形成沉积矿物，并且此过程在细胞的生命活动中不断得以精确重复，这些细胞包括了细菌、海藻、原生物、乃至骨的成骨细胞。至今人类已在生物中发现了30多种不同的生物矿物，而这其中近三分之二是钙矿，四分之一是胶体材料，碳酸盐和磷酸盐更是几乎遍及了整个生物世界。生物矿化往往能形成有序排列的、结构非常优异的天然有机——无机复合材料。
发明内容
技术问题：本发明的目的在于提供一种微生物增强型水泥基材料的制备方法，利用微生物的矿化作用在水泥基材料内部原位矿化形成碳酸钙颗粒，填塞水泥基材料内部孔隙，增强制备水泥基材料的密实度和强度。
技术方案：为达到上述目的本发明通过下述技术方案予以实现：
一种微生物增强型水泥基材料的制备方法，所述制备步骤如下：
a.接种：将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新鲜培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；
b.离心：将培养至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；
c.拌合：将离心后所得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的菌液按照1.0×103cell/g～1.0×106cell/g的比例与水泥基材料共同拌合成型，室温养护1d后拆模；
d.将步骤c所得材料静置于Ca(NO3)2和尿素混合液中继续养护，即得。制得微生物增强型水泥基材料。
所述水泥基材料可以为普通硅酸盐水泥，也可以为普通硅酸盐水泥、砂、石混合物。所述Ca(NO3)2和尿素混合液中Ca(NO3)2浓度为0.5～2mol/L，尿素浓度为0.5～2mol/L。所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。所述恒温培养箱温度设定为25～37℃。所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。
有益效果：
1)增强效果显著：微生物矿化作用与水泥水化同时缓慢进行，在水泥基材料内部矿化形成方解石颗粒，增强水泥基材料的密实度和强度。
2)相容性好：微生物矿化形成的方解石与水泥基材料本身具有良好的相容性。
3)成本低廉、环境友好：利用自然界中微生物资源，环境友好，成本低廉，工艺简单。
附图说明
图1为菌株生长标准曲线图。
具体实施方式
本发明的关键在于微生物矿化作用与水泥水化同时缓慢进行，可在水泥基材料内部原位矿化形成碳酸钙颗粒，填塞水泥基材料内部孔隙，增强制备水泥基材料的密实度和强度。其中涉及到的主要的生物化学过程如式(1)～式(3)所示。
(NH2)2CO+2H2O＝CO3 2-+2NH4 + (1)
Cell+Ca2+＝Cell-Ca2+ (2)
Cell-Ca2++CO3 2-＝Cell-CaCO3 (3)
菌株培养后离心获取后与水泥基材料一同拌合成型，室温养护24h后浸泡于尿素与Ca(NO3)2溶液中继续养护，在底物尿素的诱导下，细菌产生脲酶：脲酶是一种诱导酶，继而发生酶化反应分解尿素逐渐生成CO3 2-和NH4 +，CO3 2-与渗透至水泥基材料内的Ca2+相结合，在水泥基材料内部缓慢矿化生成碳酸钙颗粒，达到增强水泥基材料的密实度和强度。
结合实施例对本发明详细说明如下：
实施例1
将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在25～37℃恒温培养箱中振荡培养，菌株培养至稳定期后以5000～8000rpm离心5～8min，获取菌株离心湿细胞，以1.0×106cell/g的浓度与水泥拌合成型，24h后分别置于1.0mol/L的Ca(NO3)2/尿素溶液中和清水溶液中浸泡养护，28d后测试试件抗压强度。同时作为对比增强修复效果，将未拌入微生物的水泥石试件同条件置于1.0mol/L的Ca(NO3)2/尿素溶液中和清水溶液中浸泡养护，28d后同时测试试件抗压强度。实验结果见表1。
表1微生物增强型水泥石养护28d龄期抗压强度
实验结果表明，拌入微生物的水泥基材料浸泡于Ca(NO3)2/尿素(urea)溶液中，通过微生物的酶解作用，伴随着水泥水化的进行，碳酸钙在水泥基材料内部同时矿化沉积，A4组试件28d抗压强度相比于浸泡于清水中的A1组试件提高近29％。试件抗压强度得以提高主要源于微生物在水泥基材料内部矿化形成的碳酸钙颗粒，以及预拌入的细胞菌体作为纤小纤维体填塞内部孔隙，有利于制备高密实度水泥基材料。
实施例2
将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养，菌株培养至稳定期后以5000～8000rpm离心5～8min，获取菌株离心湿细胞，分别以1.0×103cell/g和1.0×106cell/g浓度预拌至水泥基材料中成型，24h后浸泡于2.0mol/L的Ca(NO3)2/尿素(urea)溶液中，28d后测试试件抗压强度。同时作为对比修复效果，将未拌入微生物的水泥石试件同条件置于1.0mol/L的Ca(NO3)2/尿素溶液中和清水溶液中浸泡养护，28d后同时测试试件抗压强度。实验结果见表2。
表2微生物增强型水泥石养护28d龄期抗压强度
实验结果表明，通过微生物的酶解作用，伴随着水泥水化的进行，碳酸钙在水泥基材料内部同时矿化沉积，B2、B3组试件28d抗压强度分别为35.8MPa和39.5MPa，相比于基准组分别提高20％与33％，增强效果显著。
实施例3
将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养，菌株培养至稳定期后以5000～8000rpm离心5～8min，获取菌株离心湿细胞，以1.0×104cell/g的浓度与普通硅酸盐水泥、砂、石混合物拌合成型，24h后分别置于2.0mol/L的Ca(NO3)2/尿素溶液中和清水溶液中浸泡养护，28d后测试试件抗压强度，发现有明显增强，同比于未掺入微生物成型的混凝土，其抗压强度提高约36％，如表3所示。
表3微生物增强型混凝土养护28d龄期抗压强度
实验结果表明微生物矿化作用与水泥水化同时缓慢进行，在水泥基材料内部矿化形成方解石颗粒，增强水泥基材料的密实度和强度。微生物矿化形成的方解石与水泥基材料本身具有良好的相容性。
综上所述，本发明具有如下优点：1)增强效果显著：2)相容性好：3)成本低廉、环境友好。
Claims (7)
1.一种微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于制备步骤如下：
a.接种：将巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至新配制的培养基中，在恒温培养箱中振荡培养；
b.离心：将上述生长至稳定期的菌株以5000～8000rpm离心5～8min；
c.拌合：将离心后所得浓度为1.0×109～1.0×1010cell/mL的菌液按照1.0×103cell/g～1.0×106cell/g的比例与水泥基材料共同拌合成型，室温养护1d后拆模；
d.将步骤c所得材料静置于Ca(NO3)2和尿素混合液中继续养护，即得。
2.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述水泥基材料为普通硅酸盐水泥。
3.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述水泥基材料为普通硅酸盐水泥、砂、石混合物。
4.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述Ca(NO3)2和尿素混合液中Ca(NO3)2浓度为0.5～2mol/L，尿素浓度为0.5～2mol/L。
5.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述新配制的培养基是牛肉膏蛋白胨培养基，培养基中牛肉膏的含量为3～6g/L，蛋白胨的含量为5～10g/L。
6.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述恒温培养箱温度设定为25～37℃。
7.根据权利要求1所述的微生物增强型水泥基材料的制备方法，其特征在于所述的菌株生长至稳定期是指对照所测菌株生长的标准曲线，用分光光度计测定菌液混浊度OD值：混浊度与菌液浓度成正比，当其OD值在曲线上的稳定期范围内时，认为此时的菌株处于稳定生长期。
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