利用微生物修复水泥基材料裂缝方法及培养液和修复营养液转让专利
申请号 : CN200810019165.8
文献号 : CN101302484B
文献日 : 2010-11-24
发明人 : 钱春香 , 王瑞兴
申请人 : 东南大学
摘要 :
本发明公开了一种水泥基材料裂缝的修复方法及培养液和修复营养液。一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，是将菌株巴氏芽胞杆菌接种至装有含尿素底物的培养基上，在25～37℃下进行振荡培养后取出培养菌液，离心去除上清液，用培养液收集菌株细胞，菌株细胞浓度控制在2×109～2×1011cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到水泥石裂缝中，修复营养液的注入次数不少于2次，最后进行养护。在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g及尿素20～60g。本发明充分利用自然界微生物资源，通过微生物酶化分解出的CO32-可与基材中的Ca2+螯合，矿化沉积出碳酸钙，与基材结合紧密，稳定性能好。
权利要求 :
1.一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，其特征在于将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在25～37℃下进行振荡培养，
16～24小时后取出培养菌液，5000～8000rpm离心5～8min，去除上清液，用培养液收集菌
9 11
株细胞，将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 ～2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8～12g质量比为8～12∶1～2∶2～6的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到1～5mm宽、深度≤50mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1～4mL修复营养液，修复营养液的注入次数不少于2次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液组成为：蛋白胨4～6g、牛肉膏2～
4g及尿素20～60g，在上述修复营养液中，每升修复营养液组成为：蛋白胨4～6g、牛肉膏
2+
2～4g、尿素60～100g及Ca 1～2mol，所述的含尿素底物的培养基按照每1000g蒸馏水中加入蛋白胨5.0g、牛肉膏3.0g、尿素20.0g来配制得到。
2.根据权利要求1所述的利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，其特征在于将收集得9
到的菌株细胞浓度控制为2×10cell/mL，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加
8g质量比为10∶1∶4的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到3mm宽、20mm深的水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1mL修复营养液，共注入4次修复营养液，在修复营养液中，每升修复营养液组成为：蛋白胨5g、牛肉膏3g、尿素
2+
80g及Ca 1mol。
说明书 :
利用微生物修复水泥基材料裂缝方法及培养液和修复营养
液
技术领域
[0001] 本发明涉及一种水泥基材料裂缝的修复方法及培养液和修复营养液，特别涉及一种利用微生物沉积碳酸钙以修复水泥基材料裂缝的方法及培养液和修复营养液。
背景技术
[0002] 水泥基材料作为目前用量最大的一种建筑材料，其最大的缺点就是在材料制备过程以及服役期间，在周围环境的影响下极易在材料内部产生微裂纹而出现局部损伤。混凝土的裂缝是不可避免的，其微观裂缝是本身物理力学性质决定的。但是若不能及时修复，不仅会影响材料的正常使用，而且可能由此诱发宏观裂缝并出现脆性断裂。目前，工程中常用的裂缝修复材料主要包括水泥基渗透结晶型材料、聚合物砂浆、高分子灌浆材料等，虽然这些材料在许多结构裂缝缺陷的修复中发挥了重要作用，但同时它们还不可避免的存在着一些缺陷，如材料的耐久性、环境友好性等等，也极大限制了它们的应用范围。
[0003] 方解石是自然界最稳定的矿物之一，将其作为水泥基等人工石材的裂缝修复材料具有不可比拟的优越条件。自然界中某些微生物可以通过其自身的生命活动，与周围环境介质之间不断循环发生着酶化作用，逐渐矿化形成方解石。再经过漫长时期的累积，最终将自然界中沉积的疏松碎屑物质胶结形成坚硬的岩石。这种生物矿化可以人为加速应用于水泥基材料裂缝的修复过程，效果较为显著。
发明内容
[0004] 本发明提供了一种对环境更友好并能提高修复效果的利用微生物修复水泥基材料裂缝方法及培养液和修复营养液，利用本发明在裂缝中形成的修复材料的体积稳定性和耐久性好。
[0005] 本发明采用如下技术方案：
[0006] 本发明所述的一种利用微生物修复水泥基材料裂缝的方法，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在25～37℃下进行振荡培养，16～24小时后取出培养菌液，5000～8000rpm离心5～8min，去除上清液，用培养液收集菌株细胞，利用紫外-可见光分光光度计测定浓缩菌液透光度OD值，根据OD值与菌液浓度
9 11
的线性标定曲线将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 ～2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8～12g质量比为8～12∶1～2∶2～6的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到1～5mm宽、深度≤50mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1～4mL修复营养液，修复营养液的注入次数不少于2次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g及尿素20g～60g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨4～6g、牛
2+
肉膏2～4g、尿素60～100g及Ca 1～2mol。21d后，砂粒紧密固结于水泥石裂缝中，水泥基材料裂缝得以修复，水泥石试件抗压强度相对未修复前提高70％以上，恢复至未破坏原始试件的80％以上。
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的线性标定曲线将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 ～2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8～12g质量比为8～12∶1～2∶2～6的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到1～5mm宽、深度≤50mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1～4mL修复营养液，修复营养液的注入次数不少于2次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g及尿素20g～60g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨4～6g、牛
2+
肉膏2～4g、尿素60～100g及Ca 1～2mol。21d后，砂粒紧密固结于水泥石裂缝中，水泥基材料裂缝得以修复，水泥石试件抗压强度相对未修复前提高70％以上，恢复至未破坏原始试件的80％以上。
[0007] 本发明所述的培养液，每升培养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g及尿素20g～60g。
[0008] 本发明所述的修复营养液，每升修复营养液含有蛋白胨4～6g、牛肉膏2～4g、尿2+
素60～100g及Ca 1～2mol。
素60～100g及Ca 1～2mol。
[0009] 本发明利用微生物酶化作用，矿化沉积出碳酸钙胶结砂粒，从而实现修复水泥基材料裂缝。菌株Bacillus pasteurii接种至培养液后，在适宜环境中得以迅速生长繁殖，16～24后达到其生长高峰，取出离心获取高浓度的菌株湿细胞，拌合砂基材注入到裂缝中，通过修复营养液的持续供给，菌株Bacillus pasteurii得以在裂缝中再次生长繁殖，在
2- 2+
细胞内不断产生脲酶，快速分解底物尿素形成CO3 ，并与裂缝环境中供给的Ca 沉积形成大量碳酸钙颗粒，附着于砂粒表面与间隙中，达到将砂粒固结于水泥石裂缝中的目的，修复裂缝。整个过程可描述如下：
2- 2+
细胞内不断产生脲酶，快速分解底物尿素形成CO3 ，并与裂缝环境中供给的Ca 沉积形成大量碳酸钙颗粒，附着于砂粒表面与间隙中，达到将砂粒固结于水泥石裂缝中的目的，修复裂缝。整个过程可描述如下：
[0010] (NH2)2CO+2H2O＝CO32-+2NH4+ (1)
[0011] Cell+Ca2+＝Cell-Ca2+ (2)
[0012] Cell-Ca2++CO32-＝Cell-CaCO3 (3)
[0013] 砂-Ca2++CO32-＝砂-CaCO3 (4)
[0014] 与现有技术相比，本发明具有如下优点：
[0015] 本发明充分利用自然界微生物资源，通过生物的矿化作用，加速沉积制备碳酸钙，不仅资源丰富，而且环境清洁，成本低廉，所制备的修复浆体和易性好，可以直接注入到水2- 2+
泥基材料裂缝中，工艺简单。微生物酶化分解出的CO3 可与基材中的Ca 螯合，缓慢矿化沉积出碳酸钙，与基材结合紧密，稳定性能好。相比于目前工程中常用的裂缝修复材料，如聚合物砂浆、高分子灌浆材料等，材料的体积稳定性和耐久性好，微生物资源丰富，环境友好性更为突出。
泥基材料裂缝中，工艺简单。微生物酶化分解出的CO3 可与基材中的Ca 螯合，缓慢矿化沉积出碳酸钙，与基材结合紧密，稳定性能好。相比于目前工程中常用的裂缝修复材料，如聚合物砂浆、高分子灌浆材料等，材料的体积稳定性和耐久性好，微生物资源丰富，环境友好性更为突出。
附图说明
[0016] 图1是水泥石试件抗压强度测试时的受压方式及裂缝位置图。
[0017] 图2是电子扫描电镜下观察到的水泥石裂缝中砂基材胶结图：(a)碳酸钙颗粒包裹于砂粒表面；(b)砂粒之间通过碳酸钙颗粒胶结。
具体实施方式
[0018] 采用普通硅酸盐水泥PO32.5，水灰比0.45，成型水泥净浆，试件尺寸50mm×50mm×50mm，室温养护7天后人为切割3mm宽、20mm深的裂缝，待修复使用。将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，其成分如表1所示，在25～37℃下进行振荡培养，16～24小时后取出培养菌液，5000～8000rpm离心5～
8min，去除上清液，采用表1培养基收集菌株湿细胞，将收集得到的菌株细胞浓度分别控制
9 10
为0、2×10cell/mL、2×10 cell/mL，然后分别在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加
8g质量比为10∶1∶4的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，其配比列于表2，分
2+
别注入到水泥石裂缝中，每48h水泥石裂缝中注入1mL含有尿素底物和Ca 的修复营养液，其成分如表3所示，共注入4次，最后进行养护。
8min，去除上清液，采用表1培养基收集菌株湿细胞，将收集得到的菌株细胞浓度分别控制
9 10
为0、2×10cell/mL、2×10 cell/mL，然后分别在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加
8g质量比为10∶1∶4的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，其配比列于表2，分
2+
别注入到水泥石裂缝中，每48h水泥石裂缝中注入1mL含有尿素底物和Ca 的修复营养液，其成分如表3所示，共注入4次，最后进行养护。
[0019] 表1培养基成分
[0020]营养物质 质量(g) 主要作用
蛋白胨 5.0 提供氮源、碳源(能源)、生长因子
牛肉膏 3.0 提供氮源、碳源(能源)、无机盐、生长
因子
尿素 20.0 菌株酶化反应参与底物
蒸馏水 1000.0 提供水分
蛋白胨 5.0 提供氮源、碳源(能源)、生长因子
牛肉膏 3.0 提供氮源、碳源(能源)、无机盐、生长
因子
尿素 20.0 菌株酶化反应参与底物
蒸馏水 1000.0 提供水分
[0021] 表2水泥石裂缝修复材料
[0022]菌株
砂(g) 琼脂(g) 尿素(g) Ca(NO3)2·4H2O(g)
组别
浓度(cellmL-1) 用量(mL)
S1 0 1 10 - 1 4
S2 2×109 1 10 - 1 4
S3 2×1010 1 10 - 1 4
砂(g) 琼脂(g) 尿素(g) Ca(NO3)2·4H2O(g)
组别
浓度(cellmL-1) 用量(mL)
S1 0 1 10 - 1 4
S2 2×109 1 10 - 1 4
S3 2×1010 1 10 - 1 4
[0023] 表3修复营养液组分
[0024]蛋白胨 牛肉膏 尿素 Ca(NO3)2·4H2O
浓度(g/L) 5 3 80 240
浓度(g/L) 5 3 80 240
[0025] 未破坏试件成型养护28d后，测其抗压强度作为基准值C0，修复试件常温养护7d切割裂缝后，如上述方法将微生物修复材料注入其中，待28d龄期如图1所示方法测其抗压强度C1，同时测试未修复的带裂缝试件抗压强度C2，根据式(5)和式(6)计算其强度恢复系数G和强度提高系数H，表征裂缝修复效果。
[0026] G＝C1/C0 (5)
[0027] H＝(C1-C2)/C2 (6)
[0028] 式中G—抗压强度恢复系数
[0029] H—抗压强度提高系数
[0030] 采用上述方法分别测试三组水泥石试件修复后28天抗压强度，并计算其抗压强度恢复系数G和提高系数H，结果列于表4。S1组由于未添加菌株，水泥石试件28d龄期到时，裂缝中的砂粒未胶结在一起，仍处于松散状态，但由于砂粒的填充，其抗压强度较修复9
前提高36％，恢复至原未破坏试件抗压强度的65％。S2组和S3组分别添加了2×10cell/
10
mL和2×10 cell/mL浓度的菌株，试件28d龄期到时，由图2可以看出，水泥石裂缝中矿化沉积形成大量碳酸钙，附着于砂粒表面与间隙中，达到将砂粒固结于水泥石裂缝中的目的，S2组抗压强度较修复前提高54％，恢复至原未破坏试件抗压强度的74％，而S3组抗压强度较修复前提高76％，恢复至原试件抗压强度的84％，修复效果较好。
前提高36％，恢复至原未破坏试件抗压强度的65％。S2组和S3组分别添加了2×10cell/
10
mL和2×10 cell/mL浓度的菌株，试件28d龄期到时，由图2可以看出，水泥石裂缝中矿化沉积形成大量碳酸钙，附着于砂粒表面与间隙中，达到将砂粒固结于水泥石裂缝中的目的，S2组抗压强度较修复前提高54％，恢复至原未破坏试件抗压强度的74％，而S3组抗压强度较修复前提高76％，恢复至原试件抗压强度的84％，修复效果较好。
[0031] 表4水泥石裂缝修复后的抗压强度
[0032]抗压强度(MPa)
组别 提高系数H 恢复系数G
C0(原始试件) C2(破坏试件) C1(修复试件)
S1 10.07 0.36 0.65
S2 15.42 7.39 11.41 0.54 0.74
S3 13.01 0.76 0.84
组别 提高系数H 恢复系数G
C0(原始试件) C2(破坏试件) C1(修复试件)
S1 10.07 0.36 0.65
S2 15.42 7.39 11.41 0.54 0.74
S3 13.01 0.76 0.84
[0033] 实施例1：利用微生物修复水泥基材料裂缝方法
[0034] 实施例1-1一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在25℃下进行振荡培养，16小时后取出培养菌液，5000rpm离心5min，去除上清液，用培养液收集菌株细胞，利用紫外-可见光分光光度计测定浓缩菌液透光度OD值，根据OD值与菌液浓度的线性标定曲线将收集得9
到的菌株细胞浓度控制在2×10 范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8质量比为8∶1∶2的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到1mm宽、深度50mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1修复营养液，修复营养液的注入次数2次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4g、牛肉膏
2g及尿素20g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨4g、牛肉膏2g、尿素60g
2+
及Ca 1mol。
到的菌株细胞浓度控制在2×10 范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8质量比为8∶1∶2的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到1mm宽、深度50mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1修复营养液，修复营养液的注入次数2次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4g、牛肉膏
2g及尿素20g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨4g、牛肉膏2g、尿素60g
2+
及Ca 1mol。
[0035] 实施例1-2一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，其特征在于将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在37℃下进行振荡培养，24小时后取出培养菌液，8000rpm离心8min，去除上清液，用培养液收集菌株细胞，利用紫外-可见光分光光度计测定浓缩菌液透光度OD值，根据OD值与菌液浓度的线性标定曲线
11
将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加12g质量比为12∶2∶6的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到5mm宽、深度1mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入
4mL修复营养液，修复营养液的注入次数4次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨6g、牛肉膏4g及尿素60g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨
2+
6g、牛肉膏4g、尿素100g及Ca 2mol。
11
将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加12g质量比为12∶2∶6的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到5mm宽、深度1mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入
4mL修复营养液，修复营养液的注入次数4次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨6g、牛肉膏4g及尿素60g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨
2+
6g、牛肉膏4g、尿素100g及Ca 2mol。
[0036] 实施例1-3一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在30℃下进行振荡培养，20小时后取出培养菌液，7500rpm离心7min，去除上清液，用培养液收集菌株细胞，将收集得到的9
菌株细胞浓度控制在2×10cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8质量比为10∶1∶4的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到3mm宽、深度20mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1mL修复营养液，修复营养液的注入次数4次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g及尿素40g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g、尿
2+
素80g及Ca 1mol。
菌株细胞浓度控制在2×10cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加8质量比为10∶1∶4的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到3mm宽、深度20mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入1mL修复营养液，修复营养液的注入次数4次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g及尿素40g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g、尿
2+
素80g及Ca 1mol。
[0037] 实施例1-4一种利用微生物修复水泥基材料裂缝方法，其特征在于将菌株巴氏芽胞杆菌Bacillus pasteurii接种至装有含尿素底物的培养基上，在28℃下进行振荡培养，18小时后取出培养菌液，7000rpm离心6.5min，去除上清液，用培养液收集菌株细胞，利用紫外-可见光分光光度计测定浓缩菌液透光度OD值，根据OD值与菌液浓度的线性标定曲
10
线将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加10g质量比为9∶1.2∶5的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到4mm宽、深度30mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入2mL修复营养液，修复营养液的注入次数3次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4.6g、牛肉膏2.4g及尿素45g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋
2+
白胨4.7g、牛肉膏2.4g、尿素70g及Ca 1.2mol。
10
线将收集得到的菌株细胞浓度控制在2×10 cell/mL范围内，然后在每毫升收集得到的菌株细胞溶液内添加10g质量比为9∶1.2∶5的标准砂、尿素、以及Ca(NO3)2·4H2O混合物，将其混合并拌合成浆体，注入到4mm宽、深度30mm水泥石裂缝中，每48h往水泥石裂缝中注入2mL修复营养液，修复营养液的注入次数3次，最后进行养护，在上述培养液中，每升培养液含有蛋白胨4.6g、牛肉膏2.4g及尿素45g，在上述修复营养液中，每升修复营养液含有蛋
2+
白胨4.7g、牛肉膏2.4g、尿素70g及Ca 1.2mol。
[0038] 实施例2利用微生物修复水泥基材料裂缝方法用培养液
[0039] 实施例2-1一种培养液，其特征在于每升培养液含有蛋白胨4g、牛肉膏2g及尿素20g。
[0040] 实施例2-2一种培养液，其特征在于每升培养液含有蛋白胨6g、牛肉膏4g及尿素60g。
[0041] 实施例2-3一种培养液，其特征在于每升培养液含有蛋白胨5g、牛肉膏3g及尿素50g。
[0042] 实施例2-4一种培养液，其特征在于每升培养液含有蛋白胨4.6g、牛肉膏2.4g及尿素30g。
[0043] 实施例3利用微生物修复水泥基材料裂缝方法用修复营养液
[0044] 实施例3-1一种修复营养液，其特征在于每升修复营养液含有蛋白胨4g、牛肉膏2+
2g、尿素60g及Ca 1mol。
2g、尿素60g及Ca 1mol。
[0045] 实施例3-2一种修复营养液，其特征在于每升修复营养液含有蛋白胨6g、牛肉膏2+
4g、尿素100g及Ca +2mol。
4g、尿素100g及Ca +2mol。
[0046] 实施例3-3一种修复营养液，其特征在于每升修复营养液含有蛋白胨5g、牛肉膏2+
3g、尿素80g及Ca 1.2mol。
3g、尿素80g及Ca 1.2mol。
[0047] 实施例3-4一种修复营养液，其特征在于每升修复营养液含有蛋白胨4.6g、牛肉2+
膏2.4g、尿素70g及Ca 1.5mol。
膏2.4g、尿素70g及Ca 1.5mol。