微生物調(diào)控碳酸鈣形成及其在水泥基材料缺陷修復中的應用.pdf

1、水泥基材料作為目前用量最大的一種建筑材料，其最大的缺點就是在材料制備過程以及服役期間，由于荷載和外界因素的作用，其表面容易產(chǎn)生疏松、剝落等缺陷，甚至在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂縫。這些缺陷若不能及時得以修復，外界水和侵蝕性介質(zhì)不斷從材料表面缺陷逐漸滲入，最終將引起混凝土耐久性能的加速劣化。混凝土表面與內(nèi)部缺陷修復已成為一個重要的獨立行業(yè)，許多混凝土表面防護涂料和裂縫修補材料不斷問世，如環(huán)氧類樹脂、水泥基滲透結(jié)晶型材料、聚合物砂漿，以及高分子灌漿材

2、料等。這些材料在混凝土缺陷修復中發(fā)揮了重要作用，但是如何解決這些修復防護有機材料與水泥基材料的相容性，進一步提高其抗老化性能和耐久性能，增強其環(huán)境友好性，一直是眾多研究者們致力突破的研究方向。
　　 方解石是自然界最穩(wěn)定的礦物之一，將其作為水泥基等人工石材的修復防護材料具有不可比擬的優(yōu)越條件。近年來，研究者們驚喜的發(fā)現(xiàn)自然界很多微生物可在細胞體外完成方解石的礦化形成，這一礦化過程被稱作為MCP(Microbial Carbona

3、te Precipitation)，此類微生物被命名為碳酸鹽礦化菌(Carbonate-Mineralization Microbe)，其通過與周圍環(huán)境介質(zhì)之間不斷循環(huán)發(fā)生的酶化作用，逐漸礦化形成方解石，再經(jīng)過漫長時期的累積，最終將自然界中沉積的疏松碎屑物質(zhì)膠結(jié)形成堅硬的巖石。自本世紀初以來，MCP技術開始得到各國研究機構(gòu)的重視，本著“模擬自然，學習自然”的科技發(fā)展新則，研究者們將其成功應用于砂柱的膠結(jié)、混凝土裂縫的修補、混凝土表面的覆

4、膜防護，以及古建筑文物的修復等，修復效果顯著。但是需要指出的是，為了能在高堿、低氧、少水的水泥基材料缺陷環(huán)境中成功礦化出碳酸鈣，給微生物提供最適宜的生長繁殖與酶解礦化條件，研究者們近乎均采用了浸泡工藝，即將待修復的混凝土試件全部浸泡于菌液中，這一工藝無法滿足對既有混凝土缺陷原位修復的要求，給MCP技術在實際工程的推廣應用帶來了諸多限制。
　　 本文旨在將MCP技術切實應用于水泥基材料缺陷的原位修復，增強其工藝可操作性，因此，從碳

5、酸鹽礦化菌的選育、馴化、誘變，到其酶活的激發(fā)、保持與釋放，都以水泥基材料修復環(huán)境為出發(fā)點，開展了適用于高堿、低氧、少水的水泥基材料缺陷修復環(huán)境的碳酸鹽礦化菌選育與酶活性調(diào)適的特色研究，探明了菌液系統(tǒng)中各組分在碳酸鈣礦化沉積過程中的核心作用，對微生物礦化碳酸鈣的晶型形貌、尺寸粒徑、礦化沉積速率進行了有效的調(diào)控，研發(fā)了微生物礦化碳酸鈣單位體積產(chǎn)率提高技術。在此基礎上，提供了浸泡、噴涂、涂刷固載等多種覆膜工藝與配比，通過微環(huán)境供給加速完成微生

6、物礦化沉積方解石的整個過程，達到原位修復水泥基材料表面缺陷的目的；同時，針對不同尺寸裂縫修復要求，采用涂抹、灌漿、注射等工藝完成水泥基材料裂縫修復，使其在既有混凝土裂縫中礦化膠結(jié)基材成為可能，切實增強了MCP技術的工藝可操作性。
　　 在適用于水泥基材料缺陷修復的碳酸鹽礦化菌選育方面，根據(jù)碳酸鹽礦化菌產(chǎn)脲酶特征以及水泥基材料中的高堿環(huán)境要求，優(yōu)選獲得適宜堿性環(huán)境生長的微好氧碳酸鹽礦化菌Bacteria B開展培育研究。從接種、營

7、養(yǎng)、工藝等方面對目標菌株進行優(yōu)化培養(yǎng)，有效調(diào)控菌株生長的延遲期和對數(shù)期，探明并馴化增強口標菌株在水泥基材料環(huán)境中的生長繁殖能力。對比研究了砂、粉煤灰、硅灰、沸石粉等基材pH環(huán)境、顆粒細度、空隙率、漿體拌合所需液固比對菌株Bacteria B在基材中生長繁殖的影響，從保證菌株植入水泥基材料中的單位包埋量和二次生長量角度，初步優(yōu)化獲得碳酸鹽礦化菌基材修復漿體制備配比。
　　 在碳酸鹽礦化菌在水泥基修復基材中的酶活性調(diào)適方面，探明了碳

8、酸鹽礦化菌Bacteria B產(chǎn)酶方式與產(chǎn)酶特征，通過逐級篩選、馴化、誘變育種等技術手段，以及環(huán)境條件優(yōu)化，將Bacteria B菌液單位酶活由1．00mM urea hydrolyzed-min-1·OD-1提升至5．00mM ureahydrolyzed·min-1·OD-1水平，并將其發(fā)酵酶解過程從嚴格的無菌環(huán)境拓展到水泥基修復漿體，與污染菌源相互競爭，在高堿環(huán)境中逐級馴化適應，拌合于砂、粉煤灰、硅灰、沸石粉等多種基材中制備修復漿

9、體，根據(jù)Bacteria B在漿體中酶活性的保持與釋放水平，最終確定菌株初始單位投放濃度、最低液固比等修復材料的制備參數(shù)，用于指導缺陷修復的相關研究。
　　 在碳酸鹽礦化菌礦化沉積碳酸鈣過程與調(diào)控方面，利用馴化得到的具有高酶活的Bacteria B成功礦化沉積出碳酸鈣，并通過與離子化學沉積法和植物脲酶沉積法的對比，探明了菌液系統(tǒng)中各組分在碳酸鈣礦化沉積過程中的核心作用。細菌分泌有機基質(zhì)是調(diào)控碳酸鈣晶體形貌的主要因素，通過其與反應

10、環(huán)境條件、成核劑的共同作用，可以有效調(diào)控礦化碳酸鈣的晶型形貌，細化晶體尺寸。借助生物顯微鏡，本文對微生物礦化碳酸鈣沉積時刻、沉積過程進行了觀察，通過胞內(nèi)脲酶形成時間、脲酶活性等因素，對微生物礦化沉積碳酸鈣速率進行調(diào)控。同時，本文采用離心技術，使具有高酶活的菌株濕細胞在極高濃度底物溶液中尚存有酶活性，降低了修復液中水分引入量，將碳酸鈣在修復液中的礦化單位體積產(chǎn)率由8％提高至61．8％。
　　 在碳酸鹽礦化菌修復水泥基材料表面缺陷方

11、面，在上述研究基礎上，本文對比選用了浸泡、噴涂、涂刷固載等多種覆膜修復工藝，優(yōu)化了各工藝操作流程和修復液配比，3d內(nèi)可在水泥基材料表面礦化沉積出致密的方解石層，50μm～300μm厚度不等，與基材表層膠結(jié)緊密，水泥石試件毛細吸水系數(shù)明顯降低，降低幅度達75％～90％，防護效果顯著。其中涂刷固載工藝，將微生物和營養(yǎng)物質(zhì)固載涂刷于水泥基材料表面，使其附著生長，優(yōu)化微環(huán)境，保護胞內(nèi)酶活性，使得碳酸鈣能在較長時間內(nèi)在材料表面與有機質(zhì)和殘余載體交

12、聯(lián)緩慢結(jié)晶生長，其與基材結(jié)合緊密，修復效果最為顯著，在既有水泥基材料表面原位礦化沉積形成碳酸鈣修復防護層成為可能，切實增強了MCP技術的工藝可操作性。
　　 在碳酸鹽礦化菌修復水泥基材料裂縫方面，針對不同尺寸裂縫修復要求，采用涂抹、灌漿、注射等工藝完成裂縫修復。對于寬度0．1mm以下的微裂縫，其修復主要目的是為了抵抗外界水和侵蝕性介質(zhì)的表層滲入，以沸石粉或硅灰為基材拌合菌株，通過涂抹的方式完成修復；而對于寬度O．1mm以上，1m

13、m以下，且具有一定深度的裂縫已經(jīng)不能作為表面缺陷進行修復處理，采用聚氨酯固載細胞，給微生物在裂縫中的礦化提供微環(huán)境保護，以碳酸鈣顆粒增強聚氨酯材料填充于裂縫中，達到修復的目的；對于寬度1mm以上的裂縫，考慮強度恢復和耐久穩(wěn)定性的要求，以砂、粉煤灰、硅灰以及沸石粉作為修復基材，與菌株拌合制備修復漿體后采用注入的方式進行修復，以后續(xù)修復液的滴加補給取代浸泡工藝，修復后各基材在裂縫中通過方解石緊密膠結(jié)，形成致密連續(xù)的基材體，抗壓強度恢復至87