CN111116077A - 一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体及其制备方法，由造粒母核、内部功能组分和外层保护壁材组成，内部功能组分包括碳酸根缓释组分、火山灰活性组分、惰性填充料组分及微生物粉末组分。该载体通过粉末造粒技术制备，集微生物保护、碳酸根缓释及火山灰反应功能于一体，一方面为微生物在苛刻的混凝土内部环境生存提供良好保护，另一方面，当裂缝触发该载体破裂后，可缓释碳酸根来补偿裂缝内部微生物诱导碳酸根形成能力的不足，提高裂缝内部碳酸钙沉积能力，同时载体中的活性组分可与裂缝中溶出的氢氧化钙发生火山灰反应形成具有胶凝作用的C‑S‑H凝胶，从而通过多种修复产物的交织作用提升裂缝自修复效果，获得较好抗渗及力学性能恢复。

Description

一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体及其制备方法

技术领域

本发明属于土木工程材料领域，特别涉及一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体及其制备方法。

背景技术

随着现代化进程的加快，我国的建设规模日益增大，混凝土具有较高的抗压强度，良好的耐久性以及低廉的价格，目前是土木工程中用量最广的建筑工程材料。但是混凝土作为一种脆性材料，在工程实际中，受到荷载作用、混凝土收缩、温度变形、不均匀沉降等因素造成混凝土开裂，这些微小裂缝的出现不仅会降低混凝土材料的抗渗能力，而且会引起钢筋的锈蚀，混凝土的碳化，降低材料的耐久性，最终影响到建筑物的承载能力。受自然界有机生物体损伤自修复现象的启发，近年来研究者提出了多种混凝土裂缝仿生自修复方式。

微生物自修复作为其中一种仿生自修复方式，由于环境友好性和自修复潜力受到广泛关注。其核心工作原理就是：将耐碱微生物和特定底物在拌合时预先埋入混凝土中，一旦混凝土开裂，水分及氧气的进入激活休眠的微生物，经过一系列生物化学反应，将混凝土中预埋的底物代谢转化为碳酸钙沉淀，填充裂缝从而实现自修复。现有研究结果表明，微生物诱导碳酸钙沉积技术可以有效提高混凝土裂缝自修复能力，对于500μm宽度以内的裂缝具有较好的修复效果，修复后混凝土抗渗性能得到恢复。然而，目前仍存在裂缝内部自修复效果差、微生物长期活性下降、抗渗及力学性能恢复不足等影响微生物自修复混凝土工程应用的关键科学问题亟待解决。为了保证微生物在混凝土中的长期活性，目前多采用载体保护技术来延长微生物在混凝土中的存活时间，但尚未有效解决微生物载体与混凝土之间的相容性问题。此外，目前载体仅起到保护微生物的功能，而载体本身在裂缝自修复中并未得到充分利用。例如，专利CN 110386771 A公开了一种混凝土裂缝自修复用内置微生物球形颗粒及其制备方法，其主要侧重点是通过制备核壳结构球形颗粒来保护微生物。

发明内容

为了解决现有微生物自修复混凝土技术存在的裂缝内部自修复效果差、微生物长期活性下降、抗渗及力学性能恢复不足等缺点，本发明的目的是提供一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体及其制备方法。

为解决上述技术问题，本发明采用如下的技术方案：

一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体，由造粒母核、内部功能组分和外层保护壁材组成，其中，

所述的内部功能组分以重量百分数计，包括如下组分：

火山灰活性组分 40%-60%

惰性填充料组分 30%-40%

碳酸根缓释组分 5%-15%

微生物粉末组分 2%-5%。

较佳的，外层保护壁材材料为无机胶凝材料或有机覆膜材料。

具体的，所述的无机胶凝材料为硅酸盐水泥、镁质胶凝材料、硫铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、地聚合物中的一种或几种。

具体的，所述有机覆膜材料为聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙基纤维素中的一种或几种。

较佳的，所述的造粒母核为粉煤灰沉珠、粉煤灰漂珠、石英砂、陶砂等中的一种或几种。

较佳的，所述的碳酸根缓释组分选自碳酸钠、碳酸铵、碳酸钾等中的一种或几种。

较佳的，所述的火山灰活性组分选自粉煤灰、硅灰、矿渣粉、偏高岭土等活性粉体中的一种或几种。

较佳的，所述的惰性填充料组分为碳酸钙粉末或石英粉中的其中一种或两种。

较佳的，所述的微生物粉末组分是由耐碱性芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、产脲酶菌中的一种或几种制备而得的芽孢粉末。

较佳的，所述造粒母核的粒径为0.3~1mm；所述的外层保护壁材的厚度为0.2~1mm；所述的活性多功能载体的粒径为2~4mm，造粒母核、内部功能组分和外层保护壁材这三者的用量大小是通过控制造粒母核和活性多功能载体的粒径以及外层保护壁材的厚度来调控。

本发明所述的微生物自修复混凝土用活性多功能载体的制备方法，包括以下步骤：

（1）将内部功能组分中的各组分即碳酸根缓释组分、火山灰活性组分、惰性填充料组分及微生物粉末组分按比例搅拌均匀成混合粉末；

（2）向圆盘造粒机中加入适量的造粒母核，开启造粒机，同时开启水雾加湿器向造粒机内喷洒水雾，加入步骤（1）中的混合粉末，使其均匀包裹在造粒母核上，直至达到满足要求的颗粒直径；

（3）将步骤（2）中获得的颗粒加入包衣机，均匀包裹一层外层保护壁材作为包裹层，直至颗粒粒径达到设计要求，过筛后进行养护即可得到满足条件的活性多功能载体。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：

（1）本发明提供的活性多功能载体为核壳结构，内部功能组分中的火山灰活性组分和惰性填充料组分与微生物混合后为微生物提供了第一层保护，结构致密的外层保护壁材为微生物在苛刻的混凝土内部环境下生存提供了第二层良好的保护，有利于微生物活性的长期保持。

（2）本发明提供的活性多功能载体突破传统微生物保护载体的单一功能，在保护微生物的同时，载体本身也可以促进裂缝的自修复。一旦混凝土产生裂缝，触发活性多功能载体破裂后，载体可缓释碳酸根来补偿裂缝内部微生物诱导碳酸根形成能力的不足，提高裂缝内部碳酸钙沉积的能力，同时功能载体中的活性组分可与裂缝中溶出的氢氧化钙发生火山灰反应形成具有胶凝作用的C-S-H凝胶，从而通过多种修复产物的交织作用提升裂缝自修复效果，获得较好抗渗及力学性能恢复。

附图说明

图1是本发明制备的活性多功能载体：（a）完整的载体；（b）破裂后的载体。

图2是添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土裂缝自修复效果：（a）混凝土裂缝修复前；（b）混凝土裂缝修复后。

图3是添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土裂缝修复过程中抗水渗透性能恢复情况。

图4是添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土与未添加的基准组裂缝自修复产物的热重分析曲线对比。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。

本发明所述的微生物自修复混凝土用活性多功能载体由造物母核、内部功能组分和外层保护壁材组成，内部功能组分包括碳酸根缓释组分、火山灰活性组分、惰性填充料组分及微生物粉末组分，外层保护壁材为无机胶凝材料或有机覆膜材料，造物母核为粉煤灰沉珠、粉煤灰漂珠、石英砂、陶砂等中的一种或几种。

该活性多功能载体集微生物保护、碳酸根缓释及火山灰反应功能于一体，通过粉末造粒技术制备而得。该活性多功能载体一方面为微生物在苛刻的混凝土内部环境中生存提供了良好的保护。另一方面，当裂缝触发活性多功能载体破裂后，可缓释碳酸根来补偿裂缝内部微生物诱导碳酸根形成能力的不足，提高裂缝内部碳酸钙沉积的能力，同时功能载体中的活性组分可与裂缝中溶出的氢氧化钙发生火山灰反应形成具有胶凝作用的C-S-H凝胶，从而通过多种修复产物的交织作用提升裂缝自修复效果，获得较好抗渗及力学性能恢复。

实施例1

（1）内部功能组分按照质量100%计，由5%碳酸根缓释组分（即5wt%碳酸钠）、60%火山灰活性组分（即20wt%粉煤灰、20wt%硅灰及20wt%偏高岭土）、30%惰性填充料组分（即30wt%碳酸钙粉末）及5%微生物粉末组分（即5wt%枯草芽孢杆菌菌粉）组成，将原料按照上述比例混合搅拌均匀备用。

（2）在圆盘造粒机中加入5g粒径为0.3-0.5mm粉煤灰沉珠作为造粒母核；

（3）开启水雾加湿器，流量为25ml/min，喷洒时间为10s；

（4）称取100g预拌好的原材料加入圆盘造粒机中，待粉体均匀包裹到粉煤灰沉珠上之后，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿；

（5）重复步骤(4) ，直至颗粒半径达到设计尺寸；

（6）过1.18～2.36mm的筛，达到设计尺寸的颗粒进行覆膜，未达到要求的重复步骤(4)；

（7）取100g达到设计尺寸的颗粒放到包衣机中；

（8）称取50g硫铝酸盐水泥作为外层保护壁材材料，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿，使硫铝酸盐水泥均匀包裹到颗粒上；

（9）重复步骤(8)，直至包裹层厚度达到设计尺寸；

（10） 将得到的活性多功能载体放置在20℃，湿度为95%的养护室进行养护，养护3天即可，制备所得载体如图1所示。

实施例2

（1）内部功能组分按照质量100%计，由10%碳酸根缓释组分（即10wt%碳酸钠）、50%火山灰活性组分（即20wt%粉煤灰、20wt%硅灰及10wt%偏高岭土）、38%惰性填充料组分（即38wt%石英粉）及2%微生物粉末组分（枯草芽孢杆菌菌粉）组成，将原料按照上述比例混合搅拌均匀备用。

（2）在圆盘造粒机中加入5g粒径为0.3-0.5mm粉煤灰沉珠作为造粒母核；

（3）开启水雾加湿器，流量为25ml/min，喷洒时间为10s；

（4）称取100g预拌好的原材料加入圆盘造粒机中，待粉体均匀包裹到粉煤灰沉珠上之后，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿；

（5）重复步骤(4) ，直至颗粒半径达到设计尺寸；

（6）过1.18～2.36mm的筛，达到设计尺寸的颗粒进行覆膜，未达到要求的重复步骤(4)；

（7）取100g达到设计尺寸的颗粒放到包衣机中；

（8）称取50g硅酸盐水泥作为外层保护壁材材料，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿，使硅酸盐水泥均匀包裹到颗粒上；

（9）重复步骤(8)，直至包裹层厚度达到设计尺寸；

（10） 将得到的活性多功能载体放置在20℃，湿度为95%的养护室进行养护，养护7天即可。

图2是添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土裂缝自修复效果，其中，a为混凝土裂缝修复前；b为混凝土裂缝修复后，从图2可知，添加活性多功能载体的混凝土养护3天开裂后，经过14天修复后，宽度为0.28mm左右的裂缝表面完全修复，且裂缝处修复产物堆积紧密。

实施例3

（1）内部功能组分按照质量100%计，由15%碳酸根缓释组分（即15wt%碳酸钠）、40%火山灰活性组分（15wt%粉煤灰、15wt%硅灰及10wt%偏高岭土）、40%惰性填充料组分（即20wt%碳酸钙粉末和20wt%石英粉）及5%微生物粉末组分（即5wt%耐碱芽孢杆菌菌粉）组成，将原料按照上述比例混合搅拌均匀备用。

（2）在圆盘造粒机中加入5g粒径为0.3-0.5mm粉煤灰沉珠作为造粒母核；

（3）开启水雾加湿器，流量为25ml/min，喷洒时间为10s；

（4）称取100g预拌好的原材料加入圆盘造粒机中，待粉体均匀包裹到粉煤灰沉珠上之后，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿；

（5）重复步骤(4) ，直至颗粒半径达到设计尺寸；

（6）过1.18～2.36mm的筛，达到设计尺寸的颗粒进行覆膜，未达到要求的重复步骤(4)；

（7）取100g达到设计尺寸的颗粒放到包衣机中；

（8）称取50g硫铝酸盐水泥作为外层保护壁材材料，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿，使硫铝酸盐水泥均匀包裹到颗粒上；

（9）重复步骤(8)，直至包裹层厚度达到设计尺寸；

（10） 将得到的活性多功能载体放置在20℃，湿度为95%的养护室进行养护，养护7天即可。

图3是添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土裂缝修复过程中抗渗性能恢复情况，由图3可知，掺有多功能性活性载体的混凝土试件裂缝，修复3天后水渗透系数就显著下降，继续修复到56天后水渗透系数进一步降低，裂缝修复后抗渗性能得到有效提升。

实施例4

（1）内部功能组分按照质量100%计，由12%碳酸根缓释组分（即12wt%碳酸钾）、53%火山灰活性组分（即53wt%粉煤灰）、30%惰性填充料组分（即30wt%碳酸钙粉末）及5%微生物粉末组分（即5wt%耐碱芽孢杆菌菌粉）组成，将原料按照上述比例混合搅拌均匀备用。

（2）在圆盘造粒机中加入5g粒径为0.3-0.5mm粉煤灰沉珠作为造粒母核；

（3）开启水雾加湿器，流量为25ml/min，喷洒时间为10s；

（4）称取100g预拌好的原材料加入圆盘造粒机中，待粉体均匀包裹到粉煤灰沉珠上之后，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿；

（5）重复步骤(4) ，直至颗粒半径达到设计尺寸；

（6）过1.18～2.36mm的筛，达到设计尺寸的颗粒进行覆膜，未达到要求的重复步骤(4)；

（7）取100g达到设计尺寸的颗粒放到包衣机中；

（8）称取50g硫铝酸盐水泥作为外层保护壁材材料，开启水雾加湿器，直至将颗粒表面润湿，使硫铝酸盐水泥均匀包裹到颗粒上；

（9）重复步骤(8)，直至包裹层厚度达到设计尺寸；

（10） 将得到的活性多功能载体放置在20℃，湿度为95%的养护室进行养护，养护7天即可。

添加本发明制备的活性多功能载体的混凝土养护28天开裂，经过28天修复后，宽度为0.35mm左右的裂缝完全自修复，对裂缝处自修复产物进行热重分析（如图4），由图4可知，基准组的自修复产物在650-750℃之间失重较为明显，表明修复产物的主要成分为碳酸钙，而添加活性功能载体组的自修复产物除了在650-750℃之间失重较为明显，在200-400℃时也有较大失重现象，表明修复产物除了碳酸钙，还可能生成了C-S-H凝胶，从而通过多种修复产物的交织作用改善裂缝自修复效果。

以上所述，仅为本发明的较佳实例，并非对本发明任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实例，但凡是为脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实例所作出的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (10)

1.一种微生物自修复混凝土用活性多功能载体，其特征在于，由造粒母核、内部功能组分和外层保护壁材组成，其中，

所述的内部功能组分以重量百分数计，包括如下组分：

火山灰活性组分 40%-60%

惰性填充料组分 30%-40%

碳酸根缓释组分 5%-15%

微生物粉末组分 2%-5%。

2.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，外层保护壁材材料为无机胶凝材料或有机覆膜材料。

3.如权利要求2所述的活性多功能载体，其特征在于，无机胶凝材料为硅酸盐水泥、镁质胶凝材料、硫铝酸盐水泥、磷酸盐水泥、地聚合物中的一种或几种；有机覆膜材料为聚乙烯醇、乙烯-醋酸乙烯共聚物、乙基纤维素中的一种或几种。

4.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述的造粒母核为粉煤灰沉珠、粉煤灰漂珠、石英砂、陶砂中的一种或几种。

5.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述的碳酸根缓释组分选自碳酸钠、碳酸铵、碳酸钾中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述的火山灰活性组分选自粉煤灰、硅灰、矿渣粉、偏高岭土中的一种或几种。

7.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述的惰性填充料组分为碳酸钙粉末或石英粉中的中一种或两种。

8.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述的微生物粉末组分是由耐碱性芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌、产脲酶菌中的一种或几种混合而成的芽孢粉末。

9.如权利要求1所述的活性多功能载体，其特征在于，所述造粒母核的粒径为0.3~1mm；所述的外层保护壁材的厚度为0.2~1mm；所述的活性多功能载体的粒径为2~4mm。

10.如权利要求1-9任一所述的活性多功能载体的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）将内部功能组分中的各组分按比例搅拌均匀成混合粉末；

（2）向圆盘造粒机中加入造粒母核，开启造粒机，同时开启水雾加湿器向造粒机内喷洒水雾，加入步骤（1）中的混合粉末，使其均匀包裹在造粒母核上，直至达到满足要求的颗粒直径；

（3）将步骤（2）中获得的颗粒加入包衣机，均匀包裹一层外层保护壁材材料作为包裹层，直至颗粒粒径达到设计要求，过筛后进行养护即得所述的活性多功能载体。

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