基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法与流程

1.本发明涉及微生物应用技术领域，尤其涉及基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法。


背景技术：

2.高炉外壳将大体积混凝土作为高炉结构，高炉的寿命影响着高炉的生产效率以及使用寿命。但是，由于温度收缩应力或者施工中原材料质量或者施工标准执行偏差导致高炉，尤其是锅炉炉顶等结构复杂的高炉部位容易出现微观裂缝，若微观裂缝继续发展成为宏观裂缝，导致高炉的散热损失加大，对高炉的强度和耐久性产生有害影响，甚至导致大大缩短高炉的使用寿命。
3.传统封堵高炉的裂缝的方法包括化学灌浆、嵌缝封堵、面层修补和结构加固等。近来，采用将化学灌浆和嵌缝工艺结合的嵌缝封堵法修补进行封堵高炉的裂缝，取得了较好的效果。其中，嵌缝封堵法为，沿着裂缝完成施工槽的开凿，将灌浆料压入裂缝中进行填充封闭，灌浆料硬化后会粘结混凝土母体成一整体，一定程度上封堵和加固裂缝。但是存在修复时间长、修复过程难以调控，且灌浆材料干燥收缩后仍会产生新的微裂缝的弊端。
4.现有技术中，本发明公开一种基于产脲酶微生物矿化沉积的裂缝自修复再生混凝土及其制备方法，其组分为载有产脲酶微生物的膨胀珍珠岩、水泥、石子、砂、硅灰、水、尿素、氯化钙、产脲酶微生物悬浮液及减水剂。它以产脲酶微生物作为混凝土裂缝修复剂，通过产脲酶微生物的新陈代谢产生尿素酶，将尿素分解为nh
4
和co
32
，进而矿化沉积碳酸钙修复裂缝。虽然实现了一定的混凝土裂缝修补作用，但是，而且，存在的弊端如下：
5.1)高炉的基础和外壳是耐热混凝土砼制而成，耐热混凝土比一般混凝土含有更高比例的骨料，现有的基于产脲酶微生物矿化沉积的混凝土裂缝修复剂与原水泥石基存在粘结较薄弱的区域，裂缝内部存在大量的微裂缝，导致裂缝处的力学性能降低，强度和耐久性较差；2)某些高炉采用钢纤维耐热混凝土，现有的基于产脲酶微生物矿化沉积的混凝土裂缝修复剂含有氯化钙、尿素以及存在ph值过高的问题，以尿素为反应底物的修复体系在矿化过程中会产生大量的氨而增加混凝土钢筋腐蚀的风险；氯化钙对钢纤维产生腐蚀并加速混凝土中的钢筋发生锈蚀，进而导致新的裂缝产生对混凝土层的耐久性产生影响；3)现有的混凝土裂缝修复剂的自修复功能较突出，但是，裂缝修补的即时性和强度一般；由于高炉外壳的在应用过程中温度较高，导致基于产脲酶微生物矿化沉积的混凝土裂缝修复剂的自修复功能基本丧失；整体裂缝修补效果不够理想。
6.因此，亟需一种适应于高炉裂缝修补场景的微生物菌剂。


技术实现要素：

7.鉴于上述问题，本发明提供一种基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法，对高炉的裂缝修补具有更好的修补效果和更高的耐久性。
8.为实现上述目的，一种基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法，将由巨大芽孢杆菌
菌液、地衣芽孢杆菌液组成的微生物菌剂与甘油混合，制成混合液a；所述混合液a和胶结液作为微生物灌浆料；
9.利用注射设备将所述微生物灌浆料分n轮注入高炉裂缝中；其中，n≥5。
10.进一步，优选的，所述胶结液为1.1mol\l～1.5mol\l的乙酸钙与1.1mol\l～1.5mol\l乳酸钙的按照摩尔比为1:1制成的混合液b。
11.进一步，优选的，利用注射设备将所述微生物灌浆料注入高炉裂缝中的步骤包括：
12.利用注射设备依次将所述混合液a、所述混合液b和空气注入高炉裂缝中。
13.进一步，优选的，将巨大芽孢杆菌接种于lb培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为20g/l，在30℃、ph为8的条件下培养至od600＝1.2，制成巨大芽孢杆菌菌液；
14.将地衣芽孢杆菌接种于培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为17～21g/l，添加ni(no3)2至浓度为8～12g/l；在40℃、ph为8.5的条件下培养至od600＝1.2，制成地衣芽孢杆菌菌液。
15.进一步，优选的，所述地衣芽孢杆菌的培养基溶液包括葡萄糖25g/l、蛋白胨12.5g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、kh2po
4 2g/l、nacl 1g/l和h20 1l。
16.本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法在不使用传统灌浆材料修补高炉裂缝的前提下，利用在裂缝腔内注入微生物菌剂和胶结液的方法，在裂缝内以微生物细胞为核心诱导生成碳酸钙晶体，随着灌浆进行，碳酸钙晶体颗粒逐渐增大，彼此堆积在一起，从而形成具有一定强度的纯微生物诱导的碳酸钙块进而完成高炉裂缝的修补作业；具有益效果如下：
17.在高炉裂缝修补的高温、高碱的场景中，采用巨大芽孢杆菌菌剂和地衣芽孢杆菌菌剂作为好氧型混菌菌液，具有更高的脲酶活性和无机转换率；
18.通过采用微生物菌剂、胶结液和甘油作为修补高炉裂缝的裂缝修补液，具有提高微生物菌剂与原水泥石基体相容性，提高裂缝愈合率以及高炉的抗压强度恢复率的效果；
19.通过采用巨大芽孢杆菌菌剂和地衣芽孢杆菌菌剂的混合物原位生成的微生物诱导碳酸盐沉积(microbially induced carbonate precipitation，micp)的晶体结构具有多样性，既包括方解石和球霰石，还包括文石；不同形态的碳酸钙与高骨含量的混凝土基质有更好的相容性，降低强度分布不均匀的发生概率，进而提高修补后使用的耐久性的技术效果；
20.添加甘油作为保护剂能保持脲酶稳定的酶活性；通过添加甘油改变了水的表面张力，增强脲酶分子内的疏水作用，甘油的羟基与酶的酰胺基以氢键的方式相互作用，促进脲酶的热稳定性；采用乙酸钙和乳酸钙的混合物作为胶结液，在一定程度上保护微生物不受高炉环境的影响；避免了修补过程中对高炉中铁丝网的腐蚀，进一步保证了高炉裂缝的修补效果，进而延长高炉的使用寿命。
附图说明
21.图1示出了本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法的实施例中的不同菌剂的脲酶活性的测试结果图；
22.图2示出了本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法的实施例中的不同处理下试件裂缝修复率测试结果图；
23.图3示出了本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法的实施例中的不同处理下试件的单轴抗压强度的测试结果图；
24.图4示出了本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法的实施例中的不同灌装方式处理下试件的裂缝修复率测试结果图；
25.图5示出了本发明的基于微生物菌剂的高炉裂缝修补方法的实施例中的不同灌装方式处理下试件的孔隙率测试结果图。
具体实施方式
26.应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。实施例中未注明具体技术或者条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件，或者按照产品说明书进行，所用试剂或仪器未注明生产厂商，均可通过正规渠道商购买得到的常规产品。
27.本发明中所使用的菌株为地衣芽孢杆菌(bacil-lus licheniformis)和巨大芽孢杆菌(baeillusmegatherium)；地衣芽孢杆菌的细胞表面及胞外多糖eps可以为矿物的沉淀提供成核位点胞外聚物eps中含有大量酪氨酸和甘氨酸，这两种氨基酸在碱性条件下能够吸引结合大量阳离子，为矿物形成提供局部的饱和微环境；更适用于骨料含量高的高炉裂缝修补的场景。巨大芽孢杆菌(baeillusmegatherium)为产孢杆菌，革兰氏阳性及好氧菌，可以在3～45℃的温度范围内生长繁殖，对极端环境有着较强的抗性。其中，地衣芽孢杆菌(bacil-lus licheniformis)和巨大芽孢杆菌(baeillusmegatherium)均为市购。
28.实施例1
29.将巨大芽孢杆菌接种于lb培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为20g/l，在30℃、ph为8的条件下培养至od600＝1.2，制成巨大芽孢杆菌菌液；
30.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括葡萄糖25g/l、蛋白胨12.5g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、kh2po
4 2g/l、nacl 1g/l和h20 1l的培养基。在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为17g/l，添加ni(no3)2至浓度为8g/l；在40℃、ph为8.5的条件下培养至od600＝1.2，制成地衣芽孢杆菌菌液；
31.将巨大芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比4:1，制备形成微生物菌剂一；
32.1.1mol\l的乙酸钙与1.1mol\l乳酸钙的按照体积比为1:1制成的混合液作为胶结液一。
33.实施例2
34.将巨大芽孢杆菌接种于lb培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为20g/l，在30℃、ph为8的条件下培养至od600＝1.2，制成巨大芽孢杆菌菌液；
35.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括葡萄糖25g/l、蛋白胨12.5g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、kh2po
4 2g/l、nacl 1g/l和h20 1l的培养基。在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为21g/l，添加ni(no3)2至浓度为12g/l；在40℃、ph为8.5的条件下培养至od600＝1.2，制成地衣芽孢杆菌菌液。
36.将巨大芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比9:1，制备形成微生物菌剂二；
37.1.5mol\l的乙酸钙与1.5mol\l乳酸钙的按照体积比为1:1制成的混合液作为胶结液二。
38.实施例3
39.将巨大芽孢杆菌接种于lb培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为20g/l，在30℃、ph为8的条件下培养至od600＝1.2，制成巨大芽孢杆菌菌液；
40.将地衣芽孢杆菌接种于地衣芽孢杆菌培养基溶液，地衣芽孢杆菌培养基溶液包括葡萄糖25g/l、蛋白胨12.5g/l、牛肉膏5g/l、酵母膏6.5g/l、kh2po
4 2g/l、nacl 1g/l和h20 1l的培养基。在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为19g/l，添加ni(no3)2至浓度为11g/l；在40℃、ph为8.5的条件下培养至od600＝1.2，制成地衣芽孢杆菌菌液。
41.将巨大芽孢杆菌菌液和地衣芽孢杆菌菌液按照体积比6:1，制备形成微生物菌剂三；
42.1.2mol\l的乙酸钙与1.2mol\l乳酸钙的按照体积比为1:1制成的混合液作为胶结液三。
43.比较例
44.将巨大芽孢杆菌接种于lb培养基溶液，在所述培养基溶液中添加尿素至浓度为20g/l，在30℃、ph为8的条件下培养至od600＝1.2，制成巨大芽孢杆菌菌液；将巨大芽孢杆菌作为微生物菌剂四；
45.1.2mol\l的乙酸钙与1.2mol\l乳酸钙的按照体积比为1:1制成的混合液作为胶结液三。
46.实验例1脲酶活性
47.将微生物菌剂一、微生物菌剂二、微生物菌剂三、微生物菌剂四分别在35℃、195r/min的条件下振荡摇床培养24h后，10000r/min，离心5min，去掉上清液，采用berthelot反应比色法进行脲酶活力测定。
48.将微生物菌剂一添加5ml甘油、微生物菌剂二添加12ml甘油、微生物菌剂三添加7ml甘油、微生物菌剂四添加7ml甘油后分别在35℃、195r/min的条件下振荡摇床培养24h后，10000r/min，离心5min，去掉上清液，采用berthelot反应比色法进行脲酶活力测定。
49.添加甘油后的微生物菌剂以及未添加甘油的微生物菌剂的脲酶活性的测定结果，见图1。
50.通过观察发现图1，由地衣芽孢杆菌菌液和巨大芽孢杆菌菌液混合而成的混合菌液微生物菌剂一、微生物菌剂二和微生物菌剂三的脲酶活性明显高于仅包含巨大芽孢杆菌的微生物菌剂四；另外，添加入甘油后的微生物菌剂一、微生物菌剂二、微生物菌剂三和微生物菌剂四的脲酶活性均有所提高。
51.实验例2修复混凝土裂缝
52.按照铝酸盐水泥280份，粉煤灰35份，矿渣粉35份，砂800份，高铝碎石980份，水178份，减水剂3.5份，胶材350份，钢纤维5
㎏
/m3的比例制备尺寸为10cm
×
10cm
×
40cm的长方体高炉混凝土试件一～试件五5组，制备后，将这些试样在(20士2)℃的室温下保存在模具中24h。脱模后，在(20士2)℃的饱和石灰水中养护28d。每个组的试样制备3个，在相同条件下测试，试验结果取其平均值。需要说明的是，所有试件需要在同一天浇筑，采用相同的材料和配合比，拆模后在相同的养护条件下进行。对各组试件采用结构试验室的waw-1000kn微
机控制电液伺服万能试验机以0.3mpa/s的速度压制裂縫并测试各试块的原始单轴抗压强度，然后放入水中进行修复养护，待用。其中，单轴抗压强度采用materialtestsystem810(mts810)测试，其荷载精度为 0.5％，采用位移控制方式，并使试样轴线与作用力方向平行，加载速率为0.05mm/min。
53.按照体积比为89:155：5将微生物菌剂一、胶结液一和甘油制成裂缝修补液一；将试件一在裂缝修补液一种修复养护0、7、28d后，用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，选取初始裂缝宽度为300μm的裂缝进行测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。其中，裂缝修复率＝初始裂缝宽度-修复后裂缝宽度/初始裂缝宽度。
54.按照体积比为55:116:6将微生物菌剂二、胶结液二和甘油制成裂缝修补液二；将试件二在裂缝修补液二种修复养护0、7、28d后，用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，选取初始裂缝宽度为300μm的裂缝进行测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。
55.按照体积比为97:165:7将微生物菌剂三、胶结液三和甘油制成裂缝修补液三；将试件三在裂缝修补液三种修复养护0、7、28d后，用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，选取初始裂缝宽度为300μm的裂缝测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。
56.按照体积比为97:165：7将微生物菌剂四、胶结液三和甘油制成裂缝修补液四；将试件四在裂缝修补液四种修复养护0、7、28d后，用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，选取初始裂缝宽度为300μm的裂缝测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。
57.按照体积比为97:165将微生物菌剂三和胶结液三制成裂缝修补液五；将试件五在裂缝修补液四种修复养护0、7、28d后，用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，选取初始裂缝宽度为300μm的裂缝测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。
58.各组试件在裂缝修补液中养护后的裂缝修复率的测定结果，见图2。
59.通过观察发现图2发现，包含地衣芽孢杆菌菌液和巨大芽孢杆菌菌液混合而成的混合菌液的裂缝修补液一、裂缝修补液二和裂缝修补液三的裂缝修复率明显高于仅包含巨大芽孢杆菌的裂缝修补液四；另外，添加入甘油后的裂缝修补液一、裂缝修补液二和裂缝修补液三和未添加甘油的裂缝修补液五的相比，裂缝修补率有所提高。
60.各组试件在其对应的裂缝修补液中养护28d后，进行单轴抗压强度测试；各组试件的单轴抗压强度的测试结果，见图3。
61.通过观察发现图3发现，包含地衣芽孢杆菌菌液和巨大芽孢杆菌菌液混合而成的混合菌液的裂缝修补液一、裂缝修补液二和裂缝修补液三养护过的试件一、试件二和试件三的单轴抗压强度明显高于仅包含巨大芽孢杆菌的裂缝修补液四养护过的试件四；另外，添加入甘油后的裂缝修补液一、裂缝修补液二和裂缝修补液三和未添加甘油的裂缝修补液五的养护过的试件相比，含有甘油的裂缝修补液养护过的试件的单轴抗压强度有所提高。
62.选取经过过单轴抗压测试后，仍然牢固连接的裂缝颗粒，采用定量的x射线衍射(xrd)分析，来测定样品中的micp的组成矿物。定量的x射线衍射(xrd)分析发现，通过采用
巨大芽孢杆菌菌剂和地衣芽孢杆菌菌剂的混合菌液养护过的试件一、试件二、试件三以及试件五的裂缝中原位生成的micp的晶体结构存在差异，沉积晶体为柱状或菱形的方解石、球形的球霰石和菜花状的球文石的混合体，方解石、球霰石和球文石的晶体形貌各不相同，球霰石呈球形的晶体形貌，可以使micp随着灌浆液移动，并使micp在体系中分布相对均匀，降低了micp在体系中分布相对均匀，进而提高微生物菌剂砂浆的整体强度，并且达到降低裂缝修补强度分布不均匀的发生概率。而单一采用巨大芽孢杆菌菌剂的裂缝修补液四养护过的试件四的裂缝中原位生成的micp的晶体结构主要为方解石以及极少量的球文石。
63.效果例1
64.按照铝酸盐水泥280份，粉煤灰35份，矿渣粉35份，砂800份，高铝碎石980份，水178份，减水剂3.5份，胶材350份，钢纤维5
㎏
/m3的比例制备尺寸为10cm
×
10cm
×
40cm的长方体高炉混凝土试件，制备后，将这些试样在(20士2)℃的室温下保存在模具中24h。脱模后，在(20士2)℃的饱和石灰水中养护28d。需要说明的是，所有试件需要在同一天浇筑，采用相同的材料和配合比，拆模后在相同的养护条件下进行。对各组试件采用结构试验室的waw-1000kn微机控制电液伺服万能试验机以0.3mpa/s的速度压制裂缝，然后放入水中进行修复养护，待用。
65.在试件中选择存在初始裂缝长度为300μm的试件五组，每个组的试样制备3个，在相同条件下测试，试验结果取其平均值。清理裂缝，检测各试件的裂缝形状、长度、宽度、深度等指标，记录。
66.在室温下，对试件一、试件二、试件三按照下列方式进行灌浆操作：
67.按照体积比准备89:155：5的微生物菌剂一、胶结液一和甘油作为备用；将微生物菌剂一和甘油混合，采用多次循环注入的方式，对试件一裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂一、胶结液一和空气，其中，循环批次的数量为5次。灌浆压力为50kpa。其中，将微生物菌剂和胶结液分别存入储浆瓶，实施灌浆。
68.按照体积比准备97:165:7的微生物菌剂三、胶结液三和甘油作为备用；将微生物菌剂三和甘油混合，采用多次循环注入的方式，对试件二裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂三、胶结液三和空气，其中，循环批次的数量为6次。灌浆压力为50kpa。
69.按照体积比准备为97:165：7的微生物菌剂四、胶结液三和甘油作为备用；将微生物菌剂四和甘油混合，采用多次循环注入的方式，对试件二裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂四、胶结液三和空气，其中，循环批次的数量为6次。灌浆压力为50kpa。
70.对试件四、试件五按照下列方式进行灌浆操作：
71.按照体积比准备89:155：5的微生物菌剂一、胶结液一和甘油作为备用；将微生物菌剂一和甘油混合，对试件四裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂一、胶结液一和空气，灌浆压力为50kpa。
72.按照体积比准备97:165:7的微生物菌剂三、胶结液三和甘油作为备用；将微生物菌剂三和甘油混合，对试件五裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂三、胶结液三和空气，灌浆压力为50kpa。
73.灌浆结束后，对各组试件分别在7d、14d和28d用500倍数码光学显微镜拍摄记录试块修复前后的裂纹，用imagepro plus软件对图像进行处理，测量修复前后裂缝宽度并记录裂缝修复率。
74.各组试件在裂缝修补液中养护后的裂缝修复率的测定结果，见图4。
75.结果表明，在相同灌注方式下，与含有巨大芽孢杆菌菌剂的单一微生物菌剂相比(试件三)，含有巨大芽孢杆菌菌剂与地衣芽孢杆菌菌剂的混合菌剂微生物菌剂(试件一和试件二)的裂缝修复率更高；另外，采用相同灌装试剂的场景下，试件一裂缝修复率比试件四高，试件二裂缝修复率比试件五高。试件一和试件二的裂缝修复率接近95％。说明采用多次循环注入的方式，对试件裂缝利用注射器依次灌入微生物菌剂、胶结液和空气的灌浆方式有助于提高裂缝修复率。
76.对裂缝修复28d后的各组试件样品进行压汞法测试。各组试件孔隙率的测定结果，见图5。
77.在相同灌注方式下，与含有巨大芽孢杆菌菌剂的单一微生物菌剂相比(试件三)，含有巨大芽孢杆菌菌剂与地衣芽孢杆菌菌剂的混合菌剂微生物菌剂(试件一和试件二)的空隙率更低；另外，采用相同灌装试剂的场景下，试件一孔隙率比试件四低，试件二孔隙率比试件五低。试件一和试件二的孔隙率低于10μum。说明采用多次循环注入的灌浆方式有助于降低孔隙率。
78.综上，本发明的用于高炉裂缝修补的微生物菌剂裂缝修补液，通过应用包含地衣芽孢杆菌和巨大芽孢杆菌的混合菌剂，能够实现在骨料含量高，且存在钢纤维的高炉混凝土环境中，提高微生物菌剂的裂缝修补效率。
79.虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式以及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改和改进，均属于本发明要求保护的范围。