CN107640919A - 一种芽孢杆菌h4改善混凝土再生骨料的方法 - Google Patents

一种芽孢杆菌h4改善混凝土再生骨料的方法 Download PDF

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CN107640919A CN201711056070.9A CN201711056070A CN107640919A CN 107640919 A CN107640919 A CN 107640919A CN 201711056070 A CN201711056070 A CN 201711056070A CN 107640919 A CN107640919 A CN 107640919A
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邢锋
寇世聪
朱亚光
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Abstract

本发明属于混凝土技术领域，提供了一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，包括以下步骤：(1)将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液；所述芽孢杆菌H4的保藏编号为CGMCC NO.9629；所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3‑环己氨基‑1‑丙磺酸；(2)使用所述步骤(1)得到的混合培养液浸泡再生骨料，得强化再生骨料。采用本发明提供的制备方法，得到的强化再生骨料吸水率降低；所得再生骨料制成再生砂浆后，再生砂浆的抗压强度增加。

Description

一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法
技术领域
本发明属于混凝土技术领域，尤其涉及到一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法。
背景技术
随着世界范围内城市化进程加快，建筑业进入高速发展阶段。大量旧建筑物被拆除，产生了大量的建筑垃圾，其中废弃混凝土所占份额最大。资料表明，全世界从1991～2000年的10年间，废弃混凝土(包括从钢筋混凝土工厂不合格的产品)总量超过10亿吨。我国按每年拆除建筑垃圾4000万吨计算，其中34％是混凝土块，则由此产生的废弃混凝土就有1360万吨，且随着经济建设步伐的加快，呈现增加的趋势。如此巨量的废弃混凝土除处理费用惊人外，还需要占用大量的空地存放，污染环境，浪费耕地，成为城市的一大公害。
废弃混凝土不仅是优质的混凝土集料，用废弃混凝土块作集料具有很多优势，如建筑物解体后，优质破碎筛分后的混凝土块和粉砂可以作为混凝土的再生，因此利用废弃建筑物垃圾生产再生骨料以及配制再生混凝土是今后建筑业的重要发展方向。废弃混凝土最有价值的处理方法就是把它当作可再生资源重新利用生产再生骨料，变废为宝。
再生骨料应用具有很好的经济效益、社会效益、环保效益以及很好的市场应用前景。现有技术中，或使用球磨机活化再生骨料，使得再生骨料的质量大大提高，可用于生产钢筋混凝土构件；或采用5％浓度的冰醋酸和3％浓度的盐酸溶液对再生骨料处理；或采用水泥和微细矿物粉浆液(如粉煤灰、硅粉等、硅质防水剂或硫铝酸钙类膨胀剂)对再生骨料浸泡、干燥等处理。但由于再生骨料在破碎或处理期间产生孔隙、裂缝等，致使再生骨料吸水率较大，导致再生混凝土性能下降，制约了再生骨料生产再生混凝土领域的发展。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于针对现有技术的不足，而提供一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，降低再生骨料的吸水率，提高混凝土的性能。
为了实现上述发明目的，本发明提供了一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，包括如下步骤：
(1)将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液；
所述芽孢杆菌H4的保藏编号为CGMCC NO.9629；
所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；
(2)使用所述步骤(1)得到的混合培养液浸泡再生骨料，得强化再生骨料。
优选的，所述矿化培养液的pH值为10.1～10.9。
优选的，步骤(2)所述混合培养液中的菌数为1×107～109cfu/L。
优选的，步骤(1)所述芽孢杆菌H4是经微生物培养基培养得到；所述微生物培养基包括牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸培养基；所述牛肉膏培养基以水为溶剂，包括2.5～6.0g/L的牛肉膏和8～20g/L的蛋白胨；所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基以水为溶剂，包括120～170g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。
优选的，所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的pH值为9～10.5。
优选的，所述牛肉膏培养基与3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的体积比为(70～95):(10～20)。
优选的，所述芽孢杆菌H4的培养条件为：120～180rpm条件下振荡培养，培养温度为25～35℃，培养时间为8～48h。
优选的，所述芽孢杆菌H4经微生物培养基培养后，离心得到菌体沉淀；用所述矿化培养液洗涤所述菌体沉淀2～3次后得到芽孢杆菌H4；所述离心的转速为5000～7000rpm，所述离心的时间为8～12分钟。
优选的，所述步骤(3)中浸泡时间为15～30天。
优选的，所述步骤(3)中再生骨料的质量与混合培养液的体积之比为(0.5～1.5)g:(15～25)ml。
本发明提供了一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，包括以下步骤：(1)将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液；所述芽孢杆菌H4的保藏编号为CGMCCNO.9629；所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；(2)使用所述步骤(1)得到的混合培养液浸泡再生骨料，得强化再生骨料。再生骨料在混合培养液中浸泡时，微生物会通过代谢将培养液中的钙离子Ca2+转化为碳酸钙，CaCO3沉积在再生骨料表面孔隙中，从而堵塞再生骨料表面孔隙，降低再生骨料的吸水率。采用本发明的微生物强化再生骨料的制备方法制备得到的强化再生骨料，吸水率为4.68～7.14％，与微生物处理前相比，吸水率降低了13.2～17.24％；所得强化再生骨料制备为再生砂浆后，再生砂浆的抗压强度增加7.7～29.0％。
生物保藏说明：
芽孢杆菌H4(Bacillus sp.H4)，于2014年9月1日保藏在中国微生物菌种保藏管理委员会普通微生物中心，地址为北京市朝阳区北辰西路1号院3号，中国科学院微生物研究所，生物保藏编号为CGMCC No.9629。
具体实施方式
本发明提供了一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，包括如下步骤：
(1)将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液；
所述芽孢杆菌H4的保藏编号为CGMCC NO.9629；
所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；
(2)使用所述步骤(1)得到的混合培养液浸泡再生骨料，得强化再生骨料。
本发明所述芽孢杆菌H4优选的经微生物培养基培养得到；具体的，本发明将芽孢杆菌H4接种于微生物培养基中，培养后离心得到菌体沉淀，并用矿化培养液洗涤2～3次，得到细菌沉淀。本发明对所述芽孢杆菌H4的接种量无任何特殊限定，优选的可用接种环按照本领域常规接种操作挑取少许菌落接种于微生物培养基中。
在本发明中，所述微生物培养基优选包括牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸(CAPS)培养基。所述牛肉膏培养基在微生物培养基中起到活化菌株的作用，为菌株生长提供生长发育的能力和物质；3-环己氨基-1-丙磺酸(CAPS)培养基在微生物培养基中起到缓冲作用，保持pH值稳定，并能够培养菌株适应矿化培养时的环境。
在本发明中，所述牛肉膏培养基以水为溶剂，包括2.5～6.0g/L的牛肉膏和8～20g/L的蛋白胨；更优选的包括2.9～5.3g/L的牛肉膏和9.4～17.7g/L的蛋白胨；所述牛肉膏更进一步优选为3.5～4.5g/L，最优选为3.53g/L；所述蛋白胨更进一步优选为10～13g/L，最优选为11.76g/L。
在本发明中，所述牛肉膏培养基优选灭菌后使用；所述灭菌优选为高温灭菌，所述灭菌的温度优选为121℃，所述灭菌的时间优选为15min。本发明对所述灭菌的设备没有特殊要求，采用本领域技术人员常规灭菌设备即可，如高压蒸汽灭菌锅。
在本发明中，所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基以水为溶剂，优选包括120～170g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。更优选的包括66～170g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；更进一步优选为130～160g/L；最优选为147.53g/L。在本发明中，所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的pH值优选为9～10.5，更优选为9.5～10。
本发明对3-环己氨基-1-丙磺酸培养基调节pH值的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员的常规做法即可。在本发明具体实施方式中，优选用NaOH调节3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的pH值。所述NaOH优选为NaOH水溶液，所述NaOH水溶液的浓度优选为1～10mol/l，更优选为5～7mol/l。
在本发明中，所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基优选灭菌后使用；所述灭菌优选为高温灭菌，所述灭菌的温度优选为121℃，所述灭菌的时间优选为15min。本发明对所述灭菌的设备没有特殊要求，采用本领域技术人员常规灭菌设备即可，如高压蒸汽灭菌锅。
本发明中，所述牛肉膏培养基与3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的体积比优选为(70～95):(10～20)，更优选为(80～90):(12～18)，最优选为85:15。
本发明将牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸培养基在无菌条件下按照上述体积比混合，得到微生物培养基。
本发明将经微生物培养基培养后的芽孢杆菌H4离心，得到菌体沉淀；所述离心转速优选为5000～7000rpm，更优选为6000rpm；所述离心时间优选为8～12min，更优选为10min。
得到菌体沉淀后，本发明用矿化培养液洗涤2～3次，弃去洗涤的溶液，将洗涤后的芽孢杆菌H4用于与矿化培养液混合得到混合培养液。在本发明中，所述用矿化培养液洗涤菌体沉淀是为了去除残留的微生物培养基，所述微生物培养基残留会抑制芽孢杆菌的矿化活性，影响强化再生骨料的效果。
在本发明中，所述培养方式优选为振荡培养；所述振荡频率优选为12～180rpm；更优选为130～160rpm；最优选为150rpm。本发明对所述振荡培养的仪器没有特殊限定，采用本领域技术人员常规选用的设备即可，如恒温摇床。
在本发明中，所述培养温度优选为25～35℃；更优选为28～32℃；最优选为29～31℃。在本发明中，所述培养时间优选为8～48h；更优选为10～24h；最优选为12～20h。
本发明将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液。本发明所述所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。更优选的包括7.5g/L的乳酸钠、6.67g/L的氢氧化钙和22.13g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸，pH为10.5。
本发明所述矿化培养液的制备方法优选的包括以下步骤：
①配制乳酸钠和氢氧化钙的混合液，调节pH值，得到A液；
②配制3-环己氨基-1-丙磺酸的水溶液，调节pH值，得到B液；
③将A液和B液混合，即得矿化培养液。
本发明对步骤①、②的顺序无任何限定。
在本发明中，所述矿化培养液优选的包括A液和B液，A液包括3.5～14.5g/L的乳酸钠和3.5～12g/L的氢氧化钙；B液包括66.5～300g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。
在本发明中，所述A液优选的包括5～10g/L的乳酸钠和4～9g/L的氢氧化钙；更优选为8.82g/L的乳酸钠和7.85g/L的氢氧化钙。所述氢氧化钙能够为微生物沉降Ca2+离子提供来源。
在本发明中，所述B液优选的包括80～160g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；最优选为147.53g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。
本发明所述A液或B液的pH值独立地优选为10.1～10.9；更优选为10.4～10.6；最优选为10.5。本发明优选的采用醋酸溶液或氢氧化钠溶液调节pH值。
进一步的，本发明采用醋酸溶液调节A液pH值，采用氢氧化钠溶液调节B液pH值。所述醋酸溶液中醋酸的质量浓度优选为10～100％，更优选为50～99％，最优选为80～95％。所述NaOH溶液的浓度优选为1～10mol/l，更优选为5～7mol/l。本发明先对A、B液的pH值进行调节再进行混合的目的是为了防止A、B液直接混合后反应生成沉淀。
本发明所述矿化培养液中，乳酸钠为细菌生长提供碳源，同时也为矿化产物碳酸钙的形成提供碳元素；氢氧化钙为细菌矿化合成提供钙离子，3-环己氨基-1-丙磺酸为缓冲成份，维持矿化培养液的pH值稳定。在本发明中，微生物以矿化培养液中的乳酸钠为营养物质，通过有氧呼吸作用或其他代谢途径将乳酸钠转化为二氧化碳/碳酸根离子释放到胞外，与钙离子结合生成碳酸钙，进而沉淀于再生骨料上，改善再生骨料的吸水系数等性质。
在本发明中，所述芽孢杆菌H4和矿化培养液混合得到的混合培养液中，菌数优选为1×107～109cfu/L；更优选为1×108cfu/L。
得到混合培养液后，本发明将再生骨料浸泡在混合培养液中，即得强化再生骨料。本发明对再生骨料的粒度没有特殊限定。在本发明中，所述再生骨料的粒度优选为0.10～25mm。在本发明实施例中，再生骨料的粒度为0.15～4.75mm或5～10mm或10～20mm。
本发明对所述再生骨料的来源没有特殊的限制，采用本领域技术人员熟知的技术方案由废弃混凝土制备得到。具体的，在本发明的实施例中，所述再生骨料的制备方法优选包括以下步骤：
将废弃混凝土破碎，取出破碎后的混凝土中的钢筋，得到无钢筋混凝土；将所述无钢筋混凝土再次破碎，得到0.10～25mm的再生骨料。
在本发明中，所述无钢筋混凝土破碎的程度为5～20mm或小于4.75mm；所述废弃混凝土破碎的方式优选为利用破碎锤将钢筋破碎出来，或人工破碎后取出钢筋，得到无钢筋混凝土。本发明对无钢筋混凝土再次破碎的方式没有特殊限定，采用本领域中的常规方法即可。
在本发明中，所述再生骨料的质量与混合培养液的体积比优选为(0.5～1.5)g:(15～25)ml；更优选为(0.8～1.2)g:(18～22)ml；最优选为1g:20ml。
在本发明中，所述浸泡的时间优选为15～30天，更优选为18～25天，最优选为20天。在本发明中，再生骨料在混合培养液中浸泡时，微生物会通过代谢将培养液中的钙离子Ca2+转化为碳酸钙CaCO3沉积在再生骨料表面孔隙中，从而堵塞再生骨料表面孔隙，降低再生骨料的吸水率。在本发明中，所述矿化培养液在浸泡过程中的作用为提供钙源(钙离子)和微生物适宜的生存环境，使其具有较高的矿化活性。
所述浸泡后，本发明优选将所述浸泡后的再生骨料干燥，得到强化再生骨料。本发明对所述干燥的方法没有特殊限定，采用本领域技术人员熟知的骨料干燥的技术方案即可；在本发明的实施例中，具体可以采用鼓风干燥箱进行干燥或自然晾干；当所述干燥优选为鼓风干燥时，所述干燥优选具体为：在25～35℃条件下干燥至恒重。
在本发明中，按照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生骨料》测试微生物处理前后强化再生骨料的吸水率变化。
下面结合实施例对本发明提供的一种微生物强化再生骨料及其制备方法进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1
再生骨料的制备：用破碎锤将废弃混凝土进行初步破碎，将钢筋破碎出来，难取出的钢筋由人工破碎后取出，得到初步破碎的无钢筋混凝土，再用颚式破碎机进行破碎，筛分出5～10mm的骨料。
矿化培养液的制备：称取氢氧化钙，L-乳酸钠和水，配制浓度为含氢氧化钙7.85g/L，乳酸钠8.82g/L，使用醋酸溶液调节A液的pH值为10.5；取3-环己氨基-1-丙磺酸和水，配制浓度为147.53g/L，使用氢氧化钠溶液调节B液的pH值为10.5。将A液与B液按体积比为17:3混合均匀，即为矿化培养液。
微生物培养基的制备：称取牛肉膏、蛋白胨和水，配制成含3.53g/L牛肉膏、11.76g/L蛋白胨的牛肉膏培养基，121℃灭菌15min，冷却至室温；称取3-环己氨基-1-丙磺酸和水，用6mol/L氢氧化钠调节pH值至10，配制成含有147.53g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸培养基，121℃灭菌15min，冷却至室温；将冷却至室温的牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸培养基按照体积比85:15混合，得到微生物培养基。
将芽孢杆菌H4菌种接种于微生物培养基中，在30℃条件下振荡培养24h，振荡的频率为150rpm，培养结束后6000rpm转速离心60min，得到菌体沉淀，并用矿化培养液洗涤菌体沉淀3次，得到芽孢杆菌H4，将芽孢杆菌H4加入到矿化培养液中，得到混合培养液，使混合培养液中的菌数为1×108cfu/L；称取再生骨料加入到混合培养液中，再生骨料与混合培养液的质量体积比为1g:20ml，在常温条件下浸泡20天，得到强化再生骨料。按照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生骨料》测试微生物处理前后强化再生骨料的吸水率等性能，结果见表1：
表1本发明实施例中强化再生骨料处理前后性能对比
由表1可以得出，强化再生骨料经微生物处理后的吸水率为7.6％，处理前的吸水率为8.6％，与微生物处理前相比，吸水率降低了13.2％。
实施例2
再生骨料的制备：用破碎锤将废弃混凝土进行初步破碎，利用破碎锤将钢筋破碎出来，难取出的钢筋由人工破碎后取出，得到初步破碎的废弃混凝土，再用颚式破碎机进行破碎，筛分出小于10mm的骨料，再利用复合破碎机进行二级破碎，筛分出小于4.75mm的骨料，最后制备出0.15～4.75mm的骨料。
矿化培养液的制备：称取氢氧化钙，L-乳酸钠和水，配制浓度为含氢氧化钙7.85g/L，乳酸钠8.82g/L，使用醋酸溶液调节A液的pH值为10.5；取3-环己氨基-1-丙磺酸和水，配制浓度为147.53g/L，使用氢氧化钠溶液调节B液的pH值为10.5。将A液与B液按体积比为17:3混合均匀，即为矿化培养液。
微生物培养基的制备：称取牛肉膏、蛋白胨和水，配制成含3.53g/L牛肉膏、11.76g/L蛋白胨的牛肉膏培养基，121℃灭菌15min，冷却至室温；称取3-环己氨基-1-丙磺酸和水，用6mol/L氢氧化钠调节pH值至10，配制成含有147.53g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸培养基，121℃灭菌15min，冷却至室温；将冷却至室温的牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸培养基按照体积比85:15混合，得到微生物培养基。
将芽孢杆菌H4接种于微生物培养基中，在30℃条件下振荡培养24h，振荡的频率为150rpm，培养结束后培养结束后6000rpm转速离心60min，得到菌体沉淀，并用矿化培养液洗涤菌体沉淀3次，得到芽孢杆菌H4，将芽孢杆菌H4加入到矿化培养液中，得到混合培养液，使混合培养液中的菌数为1×108cfu/L；称取再生骨料加入到混合培养液中，再生骨料的质量与混合培养液的体积比为1g:20ml，在常温条件下浸泡20天，得到强化再生骨料。按照标准GB/T25176-2010《混凝土和砂浆用再生骨料》测试微生物处理前后强化再生骨料的吸水率等性能，结果见下表：
表2本发明实施例2中强化再生骨料的粒度
表3本发明实施例2中强化再生骨料经微生物处理前后的性能
由表3可以得出，经微生物处理后的强化再生骨料的吸水率为4.68％，处理前的吸水率为6.0％，与微生物处理前相比，吸水率降低了17.24％。
实施例3
用实施例2得到的强化再生骨料作为再生砂制备再生砂浆。处理1为水灰比0.35，处理2为水灰比0.5，配比见表4。考察微生物处理前后的再生砂浆抗压强度，结果见表5。
表4砂浆配合比
表5再生砂浆抗压强度/MPa
由表5可以得出，经微生物处理后，再生砂浆的抗压强度增加了7.7～29.0％。
由以上实施例可知，采用本发明的微生物强化再生骨料的制备方法，得到的强化再生骨料的吸水率降低了13.2～17.2％，由强化再生骨料制备再生砂浆后，再生砂浆的抗压强度增加7.7～29.0％。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种芽孢杆菌H4改善混凝土再生骨料的方法，包括如下步骤：
(1)将芽孢杆菌H4与矿化培养液混合，得到混合培养液；
所述芽孢杆菌H4的保藏编号为CGMCC NO.9629；
所述矿化培养液包括3～12g/L的乳酸钠、3～10g/L的氢氧化钙和10～45g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸；
(2)使用所述步骤(1)得到的混合培养液浸泡再生骨料，得强化再生骨料。
2.根据权利要求1所述微生物强化再生骨料的制备方法，其特征在于，所述矿化培养液的pH值为10.1～10.9。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述混合培养液中的菌数为1×107～109cfu/L。
4.根据权利要求1～3任意一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述芽孢杆菌H4是经微生物培养基培养得到；
所述微生物培养基包括牛肉膏培养基和3-环己氨基-1-丙磺酸培养基；
所述牛肉膏培养基以水为溶剂，包括2.5～6.0g/L的牛肉膏和8～20g/L的蛋白胨；
所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基以水为溶剂，包括120～170g/L的3-环己氨基-1-丙磺酸。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的pH值为9～10.5。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述牛肉膏培养基与3-环己氨基-1-丙磺酸培养基的体积比为(70～95):(10～20)。
7.根据权利要求4～6任意一项所述的方法，其特征在于，所述芽孢杆菌H4的培养条件为：120～180rpm条件下振荡培养，培养温度为25～35℃，培养时间为8～48h。
8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述芽孢杆菌H4经微生物培养基培养后，离心得到菌体沉淀；用所述矿化培养液洗涤所述菌体沉淀2～3次后得到芽孢杆菌H4；所述离心的转速为5000～7000rpm，所述离心的时间为8～12分钟。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中浸泡时间为15～30天。
10.根据权利要求1、4或9所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中再生骨料的质量与混合培养液的体积之比为(0.5～1.5)g:(15～25)ml。
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