裂缝自修复混凝土及其制备与修复方法
阅读：395发布：2020-05-08
专利汇可以提供裂缝自修复混凝土及其制备与修复方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种裂缝自修复 混凝土 及其制备与修复方法。所述的裂缝自修复混凝土由 质量 比为927.4：103：309.1：371：31：0.1：16：5：2的 水 泥、 粉 煤 灰 、水、砂子、乳酸 钙 、三萜皂苷引气剂、108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液、PVA 纤维 及 减水剂 组成。本发明的裂缝自修复混凝土产生裂缝时， 微 生物 接触 到空气与水后，会产生 碳 酸钙沉淀来填充裂缝，达到自修复的目的，并且能够提高混凝土的抗渗水性能。本发明在混凝土中添加的三萜皂苷引气剂，能明显改善塑性混凝土的工作性能和提高硬化混凝土的耐久性能，同时产生的孔隙为细菌生长提供合适的生态位。，下面是裂缝自修复混凝土及其制备与修复方法专利的具体信息内容。
1.裂缝自修复混凝土，其特征在于，由质量比为927.4：103：309.1：371：31：0.1：16：5：2的水泥、粉煤灰、水、砂子、乳酸钙、三萜皂苷引气剂、108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液、PVA纤维及减水剂组成。
2.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
按水泥、粉煤灰、水、砂子、乳酸钙、三萜皂苷引气剂、108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液、PVA纤维及减水剂的质量比为927.4：103：309.1：371：31：0.1：16：5：2配置混凝土，浇筑，进行标准养护。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的标准养护为在温度为20±5℃，相对湿度为95％以上的标准养护条件下养护28天。
4.根据权利要求1所述的裂缝自修复混凝土的修复方法，其特征在于，包括以下步骤：
将由乳酸钙溶液和LB培养基组成的修复液喷洒于裂缝表面，进行裂缝自修复。
5.根据权利要求1所述的修复方法，其特征在于，所述的乳酸钙溶液的浓度为58g/L，LB培养基的浓度为20g/L，乳酸钙溶液和LB培养基的体积比为1:1。
裂缝自修复混凝土及其制备与修复方法
技术领域
背景技术
[0003] 针对混凝土的裂缝修复的问题，美国南达科塔矿业理工大学的Bang等(Ramachandran S K,Ramakrishnan V,Bang S S.Remediation of concrete using micro-organisms[J].ACI Materials Journal,2001,98(1):3-9)首次提出了微生物自修复技术。他们将菌液与砂子混合后作为修补材料填充到混凝土裂缝中，结果表明细菌在裂缝中能够诱导碳酸钙沉积而封堵裂缝，使得混凝土的强度和刚度得到了较好恢复。该试验采用一类能够产生脲酶的细菌，脲酶能够将尿素水解为碳酸根离子和铵根离子，然后碳酸根离子与周围溶液中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀。该方法虽然具有较好的自愈合效果，但会产生一定的氨气，对环境和人体带来不利影响。
[0004] 荷兰代尔夫特理工大学的Jonkers等(Jonkers H M,Schlangen E.Crack repair by concrete-immobilized bacteria[C].In:Proceedings of the First International Conference on Self-healing Materials.Amsterdam,2007:18-20)对自愈合混凝土也进行了一系列的研究。其基本思路是：将耐碱芽孢杆菌和作为其食物的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细菌，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矿物，填充裂缝从而实现自修复的目的。该方法同时提出了一个新的自愈合途径，即利用细菌的有氧呼吸作用代谢分解有机酸钙，产生碳酸钙沉淀和二氧化碳，在混凝土环境中二氧化碳继续与氢氧化钙反应生成额外的碳酸钙沉淀。该方法最大的优点就是不产生有害副产物，不足之处就是碳酸钙的沉积速率相对较慢，裂缝自修复周期较长。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种裂缝自愈合混凝土。该混凝土中添加了具有矿化沉淀功能的巴氏芽孢杆菌和引气剂，可以修复实际工程中出现的微小裂缝，从而保证结构的抗渗性和耐久性。
[0006] 实现本发明目的的技术解决方案为：
[0007] 裂缝自修复混凝土，由质量比为927.4：103：309.1：371：31：0.1：16：5：2的水泥、粉煤灰、水、砂子、乳酸钙、三萜皂苷引气剂、108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液、聚乙烯醇(PVA)纤维及减水剂组成。
[0008] 上述裂缝自修复混凝土的制备方法，具体步骤如下：
[0009] 按水泥、粉煤灰、水、砂子、乳酸钙、三萜皂苷引气剂、108cfu/mL的ATCC11859巴氏芽孢杆菌溶液、PVA纤维及减水剂的质量比为927.4：103：309.1：371：31：0.1：16：5：2配置混凝土，浇筑，进行标准养护。
[0011] 上述裂缝自修复混凝土的修复方法，包括以下步骤：
[0012] 将由乳酸钙溶液和LB培养基组成的修复液喷洒于裂缝表面，进行裂缝自修复。
[0013] 优选地，所述的乳酸钙溶液的浓度为58g/L，LB培养基的浓度为20g/L，乳酸钙溶液和LB培养基的体积比为1:1。
[0014] 本发明与现有技术相比，具有以下优点：
[0015] 本发明采用的ATCC11859巴氏芽孢杆菌，能够以空气中的CO2作为诱导碳酸钙形成所需的无机碳源，加上细菌酶解作用的高效性，大大提高了碳酸钙沉积速度，而且整个反应过程不产生NH3或其它污染，环境友好。本发明的裂缝自修复混凝土能够自行诊断和修复混凝土裂缝，防止裂缝的扩展，提高混凝土抗渗性能，长期维持其修复裂缝的功效。附图说明
[0016] 图1为掺入细菌后的裂缝修复效果图。
[0017] 图2为标记了荧光细菌的混凝土断面的裂缝修复效果图。
[0018] 图3为裂缝自修复混凝土的制作流程示意图。
[0019] 表1为裂缝自修复混凝土的原料配比列表。
具体实施方式
[0021] 实施例1
[0022] 步骤一：选用具有矿化沉淀功能的巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii，ATCC11859)为菌体冻干粉，使用前应按照微生物培养方法对菌体进行活化，具体过程如下：
[0024] (2)培养基及器皿灭菌。将试验所需的其余器皿(玻璃平板、离心管、移液枪头等)与培养基置于高压锅中，在121℃下高温灭菌20min。
[0025] (3)倒平板。在含有琼脂粉的培养基冷却凝固前，在超净台内按照常规的微生物培养平板制备方式制备芽孢杆菌的活化用琼脂平板。
[0027] (5)细菌悬液涂平板。利用移液器吸取少量所得菌粉悬液加入平板中，然后利用三角涂棒在平板上将所滴入的菌悬液均匀涂开。
[0028] (6)封口以及恒温培养。将接种后的平板利用封口膜封住，防止染菌。封口完成后将平板置于恒温培养器中，在37℃下恒温培养24h。
[0029] (7)菌液制备。制备150mL液体培养基，100℃灭菌后，在超净工作台进行以下操作：挑平板上单个菌落，至液体培养基中，在200rpm的转速下摇床24h。
[0030] 步骤二：对培养好的细菌进行荧光标记，方便后续实验观察细菌是否生长良好，具体过程如下：
[0031] (1)荧光蛋白基因构建(表达质粒pHT01-sfGFP的构建)。通过Gibson Assembly技术将荧光蛋白基因sfGFP克隆到芽孢杆菌表达载体pHT01-oriT上。首先以质粒pTD103LuxI-sfGFP为模板，设计引物sfGFPFor/sfGFPRev扩增sfGFP基因片段，回收纯化；BamHⅠ，XbaⅠ酶切载体质粒pHT01-oriT，随后将上述两个片段通过Gibson Assembly连接，并将连接产物转入E.colil DH10B感受态细胞，氨苄青霉素(100μg/mL)平板筛选。从转化平板上挑取单克隆进行KpnⅠ酶切验证，获得表达质粒pHT01-sfGFP。
[0032] 上述引物：
[0033] sfGFPFor：5’-ttcccaattaaaggaggaagatgagcaaaggagaagaac-3’；
[0034] sfGFPRev：5’-cgctcattaggcgggctgctttacgctgcaagggcgtaa-3’。
[0035] (2)巴氏芽孢杆菌(Sporosarcina pasteurii，ATCC11859)电转感受态细胞的制备：
[0037] (2.2)按10％接种比例将过夜培养的种子液接种到含有了3％甘氨酸和0.1％吐温的LB培养基中，30℃、200r/min培养，至OD600至1-1.2。
[0038] (2.3)将预培养的菌液转入50mL离心管冰浴30min，4℃，5000g离心10min，去上清。
[0039] (2.4)用预冷的无菌水重悬菌体，4℃，5000g离心10min，去上清。
[0040] (2.5)重复步骤(2.4)2次。
[0041] (2.6)用预冷的10％甘油重悬菌体，4℃，5000g离心10min，去上清。
[0042] (2.7)重复步骤(2.6)2次。
[0043] (2.8)用预冷的10％甘油重悬菌体，按每管100μL分装到预冷的1.5mL离心管，在液氮中迅速冷却5-10min，于﹣80℃冰箱保存。
[0044] (3)电转化的具体操作为：向分装在离心管的100μl巴氏芽孢杆菌电转感受态加入2μl质粒，并转移到预冷的2mm电转杯，冰浴5min，调节电穿孔仪电压为2.5kV，用纸巾吸干样品槽的外表面，将电转杯装入电转仪，按下电击键。电击结束后，立即向电转杯加入1mL复苏培养基(LB培养基添加0.5M山梨糖醇，0.38M甘露醇)，重悬菌体，并一同转入1.5mL离心管，
37℃，200r/min复苏3h。
37℃，200r/min复苏3h。
[0045] (4)荧光基因导入细菌(工程菌巴氏/pHT01-sfGFP的构建)。将质粒pHT01-sfGFP电转巴氏芽孢杆菌电转感受态，氯霉素(5μg/mL)平板筛选，得到工程菌巴氏/pHT01-sfGFP。
[0046] 步骤三：按照表1的配方法以及下面的投料顺序和搅拌时间拌制混凝土：
[0047] 表1裂缝自修复混凝土的原料配比列表
[0048]
[0049] (1)先将0.093g引气剂三萜皂苷和3g减水剂加入309.1g水中，充分搅拌30s；
[0050] (2)再将927.4g水泥、103g粉煤灰和搅拌后的水投入搅拌机内先慢搅60s，再快搅30s；
[0051] (3)在搅拌期间，根据砂浆的流动性判断是否需要再加入适量的减水剂，等待出现流动性较好的砂浆状态时，再加入31g乳酸钙和371g砂子，继续慢搅60s，快搅30s；
[0052] (4)最后加入5g的PVA纤维，搅拌最后一个流程，慢搅60s，快搅30s；
[0053] 将拌制好的混凝土装入40mm×40mm×160mm的标准三联模中，用振动台振实抹平。以60s为一个流程，振动两个流程，以防止和泥土出现分层、离析现象。试件成型后，在混凝土表面覆盖一层塑料薄膜以防止水分流失，并在20±5℃的环境中静置一昼夜。然后对混凝土进行编号、拆模，并在相对湿度为95％以上的标准养护条件下继续养护28天。
[0054] 步骤四：对养护好的试块进行三点弯抗折实验，设备仪器选用液压万能试验机(MTS)：
[0055] (1)首先将混凝土居中放置在MTS的支座上，使之处于平衡状态，支座间距为120mm，支座与混凝土接触面采用的是线接触，同时在混凝土底部固定引伸计，为了方便测量裂缝开裂宽度；并采用尖头压头，防止发生四点弯曲。
[0056] (2)实验前，升降活动平台，使压头对准试块正中加载点，且压头与梁刚好接触，荷载加载速度控制在0.1～0.3mm/min。开始实验，加载直到底部混凝土裂缝达到0.3mm时停止实验。
[0057] (3)对造完裂缝的试放置在室外养护室进行修复，修复液为乳酸钙溶液(58g/L)和LB培养基(20g/L)，每天用胶头滴管取适量的修复液滴到裂缝表面，重复操作使之渗透到裂缝内部，结合图1，可观察到裂缝修复效果。
[0058] 图1为掺入细菌后的裂缝修复效果图。从图中可以看出，加入了巴氏芽孢杆菌和三萜皂苷引气剂的混凝土的裂缝修复效果十分明显。图2为标记了荧光细菌的混凝土断面，放在切胶仪下，通过紫外线照射，可观察到发亮的部分为细菌菌落。
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