可持续修复混凝土微生物胶囊

可持续修复混凝土微生物胶囊

林凡通

济南大学土木建筑学院土木工程系山东济南250022

摘要：混凝土结构易产生裂缝，不利条件下容易引发工程事故，因此对混凝土开裂损伤部位的实时自修复尤为重要，鉴于此本文提出一种可持续修复混凝土的微生物胶囊。

关键词：微生物、持续、碳酸钙、胶囊、混凝土自修复

1、背景技术

微生物诱导的碳酸钙沉积(MICP)技术是指利用微生物诱导生成碳酸钙来修复裂缝，改善混凝土结构的强度和耐久性能。现在混凝土的修复主要有三种方案:（1）胶囊中加修复剂，当混凝土出现裂缝，水跟氧气渗入使胶囊破裂，修复剂流出修复混凝土（2）直接在制备混凝土时加入微生物，但是微生物存活时间较短，且混凝土中掺入的营养物质会减少工程结构的稳定性。（3）申请号为“201210580233.4”的专利公开了“一种内置好氧型微生物的复合胶囊地下结构混凝土自修复系统”，其机理是裂纹穿透复合胶囊，释放出微生物发生代谢作用生成二氧化碳与钙离子反应成碳酸钙以修复裂缝，此方法主要有以下缺陷：第一、复合胶囊中的培养基以及微生物释放出之后会对混凝土的强度产生影响；第二、胶囊只能使用一次，不能对混凝土同一位置的裂纹进行持续修复。

2、微生物胶囊能够持续作用的原理

所述微生物胶囊包括芯层，保护层，外层；所述芯层为吸附有好氧嗜碱芽孢杆菌及对应培养基干粉的大孔吸附树脂，直径为0.1-1mm，所述保护层材料为水泥，厚度为0.1-1mm，所述外层材料为水泥与氯化钙混合层，厚度为0.1-1mm。所述微生物胶囊在与混凝土搅拌之前经90-100%wt的酒精中二次浸泡20-50min。

在无渗水情况下，微生物胶囊为干态，培养基为干粉状，菌种处于休眠状态，当发生渗水后，微生物胶囊不会开裂，保护层及外层具有渗水，透气作用，水分和氧气渗入微生物胶囊中，激活菌种进行代谢生成二氧化碳，二氧化碳与混凝土中的钙离子反应生成碳酸钙沉淀填补裂缝，外层氯化钙的加入可以加速及增加碳酸钙的生成及沉淀，裂缝一旦添补，微生物胶囊中的菌种再次被隔绝氧气及水进入休眠状态，由此，微生物胶囊可以多次持续的进行混凝土修复；

另外，微生物胶囊将菌种与混凝土层隔开，可使菌种免受高碱性影响，提高菌种稳定性，也防止了菌种死后分解对混凝土产生影响；

再次，微生物胶囊的芯层为大孔吸附树脂，具有大孔网状结构和比较大的比表面积，对菌种及培养基的吸附量大，可以保证菌种发挥修复作用的次数，并且，大孔树脂具有较好的抗压强度，不会影响混凝土的稳定性，微生物胶囊的外层为水泥成分与混凝土结合稳定，粘结性强，不会脱落，或被水冲下，以保证当混凝土开裂时，可以及时发挥作用；

最后，在与混凝土混合前对微生物胶囊进行酒精浸泡，使其处于休眠状态，防止用混凝土浇筑建筑时被水激活，影响后续修复作用的发挥，这一技术特点在现有技术中并未出现，具有开拓性意义。

3、胶囊及自修复混凝土的制备

实施例1

制备微生物胶囊：

步骤一、培养赖氨酸芽孢杆菌，离心后得到菌泥，菌泥浓度为6×109个/ml；

步骤二、配置无水的赖氨酸芽孢杆菌，胰蛋白胨510g，大豆蛋白胨90g，葡萄糖75，氯化钠150g；磷酸氢二钾25g；

步骤三、将步骤二配置的所有培养基与0.1ml菌泥加入1200ml水中搅拌均匀得到混合液；

步骤四、向步骤三得到的混合液中加入100g大孔吸附树脂后，以250r/min的速度进行搅拌30min，过滤收集大孔吸附树脂，于20℃烘至含水量低于5%；

步骤五、将烘干后的大孔吸附树脂置于90%wt的酒精中进行第一次浸泡30min后，在其表面均匀喷洒质量分数为20%水泥液，使其厚度为0.3mm，于30℃烘干，再次喷涂水泥与氯化钙按照质量比2.5：1配置的混合液，混合液的质量分数为20%，使其厚度为0.8mm，于30℃烘干，即得到微生物胶囊。

制备混凝土：水230份、水泥PO42.5512份、砂533份、石灰241份，石子1115份、微生物胶囊(置于90%wt的酒精中第二次浸泡20min)15-20份，将微生物胶囊倒入水中充分分散均匀，然后采用常规混凝土配置方法制备。

实施例2

制备微生物胶囊：

步骤一、培养赖氨酸芽孢杆菌或蜡状芽孢杆菌，离心后得到菌泥，菌泥浓度为6×109个/ml；

步骤二、配置无水的好氧嗜碱芽孢杆菌培养基，胰蛋白胨510g，大豆蛋白胨90g，葡萄糖75，氯化钠150g；磷酸氢二钾25g；

步骤三、将步骤二配置的所有培养基与0.1ml菌泥加入1500ml水中搅拌均匀得到混合液；

步骤四、向步骤三得到的混合液中加入100g大孔吸附树脂后，以250r/min的速度进行搅拌20min，过滤收集大孔吸附树脂，于30℃烘至含水量低于5%；

步骤五、将烘干后的大孔吸附树脂置于100%wt的酒精中一次浸泡50min后，在其表面均匀喷洒质量分数为25%水泥液，使其厚度为0.8mm，于25℃烘干，再次喷涂水泥与氯化钙按照质量比3：1配置的混合液，使其厚度为0.7mm，混合液的质量分数为30%，于25℃烘干，即得到微生物胶囊。

制备混凝土：水250份、水泥PO42.5540份、砂5550份、石灰242份，石子1155份、微生物胶囊(置于100%wt的酒精中浸泡40min)18份，将微生物胶囊倒入水中充分分散均匀，然后采用常规混凝土配置方法制备。

实施例3

制备微生物胶囊：

步骤一、培养蜡状芽孢杆菌，离心后得到菌泥，菌泥浓度为4×109个/ml；

步骤二、配置无水M.S.P培养基，NaNO39g，K2HPO43g，KCI1.5g，MgSO41.5g，FeSO40.03g，蔗糖90g；

步骤三、将步骤二配置的所有培养基与0.1ml菌泥加入180ml水中搅拌均匀得到混合液；

步骤四、向步骤三得到的混合液中加入15g大孔吸附树脂后，以250r/min的速度进行搅拌30min，过滤收集大孔吸附树脂，于30℃烘至含水量低于5%；

步骤五、将烘干后的大孔吸附树脂置于100%wt的酒精中一次浸泡40min后，在其表面均匀喷洒质量分数为25%水泥液，使其厚度为0.5mm，于30℃烘干箱中烘干，再次喷涂水泥与氯化钙质量比为2：1的混合液，混合液的质量分数为25%，使其厚度为0.5mm，于30℃烘干，即得到微生物胶囊。

制备混凝土：水220份、水泥PO42.5500份、砂550份、石灰230份，石子1100份、微生物胶囊(置于90%wt的酒精中二次浸泡30min)15份，将微生物胶囊倒入水中充分分散均匀，然后采用常规混凝土配置方法制备。

4、结语

微生物持续自修复胶囊作为一种智能材料，可以解决很多原始方法难以解决或不能解决的关键问题，在及时修复混凝土结构裂缝和损伤方面有很大的潜力，并且在修复完成后微生物在隔绝水的前提下可自动进行休眠，持续性对混凝土裂缝进行修复，具有能耗低，绿色环保的特点，彻底解决以往修复技术效率低、对环境极易造成破坏、施工复杂、不可重复利用等特点。同时该修复技术一个较大的优势在于可自动监测混凝土构件的性能，混凝土构件发生渗漏，激活胶囊内微生物，及时修复混凝土裂缝，从而增强混凝土的抗渗性、抗氯离子侵蚀以及抗碳化能力，提高混凝土结构的使用寿命。

参考文献

[1]刘小艳,姚武,郑晓芳,等.混凝土损伤自愈合性能的试验研究[J].建筑材料学报,2005,8(2):184-188.

[2]姚武,钟文慧,YAOWu,等.混凝土损伤自愈的机理[J].材料研究学报,2006,20(1):24-28.

作者简介：林凡通（1996.03-），男，汉族，山东菏泽人，学生，本科，主要从事土木工程方向研究