一种裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法

1.本发明涉及一种水泥基材料的制备方法，尤其涉及一种裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法。


背景技术：

2.水泥基材料具有较高的抗压强度、良好的耐久性以及较低的成本，广泛应用于建筑工程、桥梁工程、水利电力和核电工程、港口和海洋工程等现代土木工程中，是世界土木工程不可缺少的、最主要的建设材料之一。然而，水泥基材料存在抗拉强度低、极易开裂的先天缺陷，严重影响工程耐久性和服役寿命，是土木工程领域亟需解决的一个共性难题。
3.自然界中广泛存在的某些微生物，能够诱导矿化沉积具有一定胶凝特性的矿物，这一过程被称为微生物诱导沉积，并将其矿化产物作为新一代胶凝材料，即微生物水泥。微生物水泥是根据微生物的酶化作用分解底物矿化形成碳酸根离子，而在矿化形成碳酸根离子的同时，由于微生物的能量交换致使其周围微环境ph值升高，此时在外界钙源存在情况下，便矿化形成碳酸钙沉积，在这个过程中细菌体同时为碳酸钙的沉积提供了成核位点。基于自然界广泛存在的微生物诱导矿化沉积现象制备的微生物水泥具有环境友好、制备过程快速高效、晶体尺寸和胶结强度可调控等诸多优势，已应用于扬尘控制、沙漠治理、地基加固、边坡稳定、重金属污染土壤修复、石质文物以及水泥基材料裂缝修复等诸多领域。但是，在水泥基材料裂缝修复的过程中，由于基体本身的高碱环境严重制约了微生物的萌发、生长和存活，导致矿物难以高效沉积、修复效果不佳。


技术实现要素：

4.发明目的：本发明旨在提供一种有利于固碳微生物生长和提升自修复效果的裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法。
5.技术方案：本发明所述的裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法，涉及核壳结构载体a、载体b的制备，两种载体均包括内核、外壳，制备方法如下：
6.(1)将酵母菌、醋酸杆菌、糖类物质进行混合造粒，作为载体内核，加入硅酸盐水泥后在载体内核表层包覆一层水泥，养护制得载体a；
7.(2)将固碳芽孢杆菌进行造粒，作为另一载体内核，加入硅酸盐水泥后在该载体内核表层包覆一层水泥，养护制得载体b；
8.(3)采用载体a、载体b代替部分砂，加入钙源，制备得到砂浆试件，养护。
9.进一步地，所述造粒和加入硅酸盐水泥的过程中均喷洒溶剂，溶剂为去离子水或乙醇。
10.进一步地，步骤(1)中所述的酵母菌、醋酸杆菌、糖类的质量比为1:1:5-10；所述的糖类物质为葡萄糖、壳聚糖或麦芽糖中的一种或多种。
11.进一步地，步骤(2)中所述的固碳芽孢杆菌为胶质芽孢杆菌、光合菌或节杆菌中的一种或多种。
12.进一步地，步骤(1)和(2)中所述的载体a、载体b内核的粒径均为2.0-2.5mm、水泥外壳厚度均为1.0-1.5mm。
13.进一步地，步骤(3)载体a、载体b代替砂的替代率为1-10％。
14.进一步地，步骤(3)中所述钙源为硝酸钙、甲酸钙、乳酸钙或氯化钙中的一种或多种。
15.进一步地，步骤(3)钙源添加量为水泥的1-5％。
16.进一步地，步骤(1)和(2)中所述造粒的转速为10-50r/min、喷液量为10-20ml/min。
17.进一步地，步骤(1)和(2)中所述养护的标准条件为湿度90-95％、温度20-23℃、时间3-14天。
18.进一步的，所述的裂缝为贯穿裂缝、宽度为100-500μm。
19.进一步的，制备40mm
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40mm
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160mm砂浆试件，先将试件在常温养护24小时，再将试件在常温水环境养护7天，之后通过压力机人工制造裂缝，将开裂试件置于水环境中，监测开裂试件裂缝修复效果。
20.本发明围绕水泥基材料裂缝区微环境调控，通过改善裂缝区微环境、降低裂缝区碱度，创造一个微生物适宜生存的良好环境，是提升微生物矿化修复水泥基材料裂缝效果的新方法。
21.有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下显著优点：(1)酵母菌、醋酸杆菌分解葡萄糖、壳聚糖、麦芽糖为小分子有机物和醋酸，醋酸与裂缝区碱性物质氢氧化钙反应，消耗了裂缝区的氢氧化钙，可降低裂缝区的ph值，有利于固碳微生物的萌发、生长和存活；(2)分解糖类形成的小分子有机物可为固碳微生物生长提供营养源，进一步提升固碳微生物的生长效率；(3)通过改善微环境促进固碳微生物的生长，捕获环境中二氧化碳沉积更多的矿物，从而提升微生物矿化的自修复效果，该方法成本低、效果好、绿色环保。
附图说明
22.图1为裂缝处矿物的sem图像；
23.图2为裂缝表面修复率与修复时间的关系图；
24.图3为裂缝修复深度与修复时间的关系图。
具体实施方式
25.下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
26.实施例1
27.一种裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法，步骤如下：
28.(1)将酵母菌、醋酸杆菌、葡萄糖按照质量比1:1:5的比列加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为30r/min、喷液量为20ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.5mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为30r/min、喷液量为20ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.0mm，置于标准条件下养护，湿度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体a。
29.(2)将胶质芽孢杆菌加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为30r/min、喷液量为20ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.5mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为30r/min、喷液量为20ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.0mm，置于标准条件下养护，湿度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体b。
30.(3)水泥、砂、水质量为1:3:0.5，采用载体a、载体b代替部分砂，替代率分别为1％、2％，钙源添加量为水泥的2％，保持水灰比0.5不变，制备40mm
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40mm
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160mm砂浆试件，先将试件在常温养护24小时，再将试件在常温水环境养护7天，之后通过压力机人工制造裂缝宽度为300μm的贯穿裂缝，将开裂试件置于水环境中，监测开裂试件裂缝修复效果。裂缝处矿物的sem图像如图1所示。
31.实施例2
32.一种裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法，步骤如下：
33.(1)将酵母菌、醋酸杆菌、葡萄糖按照质量比1:1:5的比列加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为50r/min、喷液量为20ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.5mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为50r/min、喷液量为20ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.0mm，置于标准条件下养护，湿度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体a。
34.(2)将胶质芽孢杆菌加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为50r/min、喷液量为20ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.5mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为50r/min、喷液量为20ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.0mm，置于标准条件下养护，湿度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体b。
35.(3)水泥、砂、水质量为1:3:0.5，采用载体a、载体b代替部分砂，替代率分别为2％、2％，钙源添加量为水泥的2％，保持水灰比0.5不变，制备40mm
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40mm
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160mm砂浆试件，先将试件在常温养护24小时，再将试件在常温水环境养护7天，之后通过压力机人工制造裂缝宽度为300μm的贯穿裂缝，将开裂试件置于水环境中，监测开裂试件裂缝修复效果。
36.对比例
37.一种裂缝区微环境调控的自修复水泥基材料的制备方法，步骤如下：
38.(1)将酵母菌、醋酸杆菌、葡萄糖按照质量比1:1:5的比列加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为20r/min、喷液量为10ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.0mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为20r/min、喷液量为10ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.5mm，置于标准条件下养护，湿度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体a。
39.(2)将胶质芽孢杆菌加入造粒机中，在旋转过程中均匀喷洒乙醇溶液制备球形颗粒，造粒机转速为20r/min、喷液量为10ml/min，以此作为载体的内核，粒径为2.0mm；向造粒机中加入普通硅酸盐水泥，在旋转过程中均匀喷洒去离子水，造粒机转速为20r/min、喷液量为10ml/min，在载体内核表层包覆一层水泥，外壳厚度为1.5mm，置于标准条件下养护，湿
度90％-95％、温度20-23℃、养护时间14天，即制得载体b。
40.(3)水泥、砂、水质量为1:3:0.5，采用载体a、载体b代替部分砂，替代率分别为0％、2％，钙源添加量为水泥的2％，保持水灰比0.5不变，制备40mm
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40mm
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160mm砂浆试件，先将试件在常温养护24小时，再将试件在常温水环境养护7天，之后通过压力机人工制造裂缝宽度为300μm的贯穿裂缝，将开裂试件置于水环境中，监测开裂试件裂缝修复效果。
41.图2为裂缝表面修复率与修复时间的关系图，图3为裂缝修复深度与修复时间的关系图。与对比例相比，实施例1、实施例2中添加了不同量的载体a，可降低裂缝区的ph值，有利于固碳微生物的萌发、生长和存活，因此不同程度地提升了修复率和修复深度。