一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土制备方法

技术领域

本发明涉及建筑材料技术领域，特别是涉及一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土制备方法。

背景技术

3D打印混凝土是以混凝土为原材料，结合现有3D打印技术及混凝土材料特性，通过系统控制及程序设定进行分层打印的新的建造技术。与普通混凝土相比，利用3D打印混凝土进行建造，其施工效率更高，建造过程更安全环保。基于其泵送挤出堆叠成型的打印工艺特性，为保证其可打印性，提高流变性，3D打印混凝土常使用细骨料作为主要材料。但骨料粒径过小，会增大其表面积，包裹骨料表面所需的浆体量过大会导致混凝土因收缩造成开裂。因而，如何解决3D打印混凝土结构初期的微小裂缝是当前亟待解决的问题。

当前市场上传统的混凝土裂缝修复技术包括包括表面处理法、灌浆法、填充法等。表面处理法存在水泥抹面易二次开裂的现象，且使用的表面贴片常采用脆性材料，耐磨性差。灌浆法和填充法主要包括化学及水泥两种材料，不仅成本较高，同时工程量大，其存在的能源的浪费以及有毒材料的使用问题一直难以解决。而近来新兴的微生物自修复技术能弥补这一局限，微生物自修复的原理是利用微生物，如产脲酶菌、碳酸酐酶菌等，通过矿化细菌分泌的代谢产物或固定CO

目前在混凝土自修复领域运用的矿化微生物多为产脲酶菌，其代谢速率较高，而产碳酸酐酶菌可以通过直接固定空气中的CO

发明内容

本发明的目的是提供一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土制备方法，有望改善其微裂缝和内部孔隙等物理缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土制备方法，

S1、称量取硅酸盐水泥、水泥、硅灰、石英砂、矿粉、乙酸钙及修复剂，其中修复剂为复合菌剂和营养成分；

S2、取S1中的硅酸盐水泥、水泥、硅灰、石英砂、矿粉和乙酸钙混合，混合后加入部分营养成分搅拌得到混合物；

S3、向S2中的混合物加入修复剂的复合菌剂和剩余营养成分搅拌，得到3D打印自修复混凝土。

优选的，所述S1中营养成分为尿素、葡萄糖、蛋白胨、酵母提取物和水。

优选的，所述S1中的复合菌剂的筛选和富集样本来源为活性污泥和土壤。

优选的，所述S1中的复合菌剂为按不同比例混合的产脲酶菌和产碳酸酐酶菌，混合后使用去离子水定容至30mL。

优选的，石英砂的粒径分别为0.425-0.850mm和0.212-0.425mm，两种粒径的混合体积比为1:1.1。

优选的，所述S1中水泥为高贝利特425水泥，水泥重量为水泥和硅酸盐水泥总重的10％。

一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土的应用，应用于3D打印。

因此，本发明采用上述成分的一种基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土制备方法，其有益效果为：

1、针对3D打印混凝土的建造过程中易开裂的问题，将产脲酶菌和产碳酸酐酶菌本身的自修复能力运用于3D打印混凝土中，不仅对其微裂缝具有改善作用，同时对其特有的层间裂隙缺陷也有一定的改善作用；

2、产脲酶菌和产碳酸酐酶菌具有协同作用，利用二者的复合菌剂进行3D打印自修复混凝土的自修复，比当前大多数研究更加环保高效；

3、产脲酶菌和产碳酸酐酶菌可由活性污泥和土壤中得到，来源简单且不需要通过市场购买，节约生产成本。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为产脲酶菌和产碳酸酐酶菌自修复矿化机理图；

图2为3D打印自修复混凝土开裂图；

图3为3D打印自修复混凝土裂缝自修复效果图；

图4为3D打印自修复混凝土裂缝修复率图。

具体实施方式

以下通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指出现该词前面的元件或者物件涵盖出现在该词后面列举的元件或者物件及其等同，而不排除其他元件或者物件。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

实施例1

S1、样本采集

选取污水处理厂的活性污泥和花池土壤作为样本，使用去离子水清洗后取0.2mm筛过筛，去除活性污泥和土壤中的无机物、植物根茎及虫卵。

S2、菌种筛选培养基的制备

富集培养基包括牛肉膏3g/L、蛋白胨10g/L和NaCl 5g/L。

产脲酶菌筛选平板培养基包括蛋白胨1g/L、氯化钠5g/L、葡萄糖1g/L、磷酸二氢钾2g/L、尿素20g/L、酚红指示剂和琼脂。

产碳酸酐酶菌筛选平板培养基包括醋酸钙(Ca(CH

S3、菌种的富集和分离

称取三份20g S1中的样品，每份均接种于100mL富集培养基中，置于250mL三角锥形瓶中，放在摇床上30℃，130rpm富集培养40h。富集培养以40h为一周期，共富集培养三个周期。

将富集完的混合菌群分别转移到产脲酶菌筛选平板培养基和产碳酸酐酶菌筛选平板培养基上，培养48h后观察。

产脲酶菌可通过自身所产生的脲酶催化尿素的分解而形成氨，使细菌周围出现碱性微环境，会使培养基中加入的酚红指示剂由浅黄变为紫红色。因此，若接种在产脲酶菌筛选培养基中的菌落周围出现浅紫色晕圈，则该细菌为产脲酶菌。

产碳酸酐酶菌由于固定空气中二氧化碳进行酶解，周围pH会降低，溴麝香草酚蓝指示剂颜色会由蓝转绿最后变黄。因此，若接种在产碳酸酐酶菌筛选培养基中的菌落周围出现黄色晕圈，则该细菌为产碳酸酐酶菌。

S4、产脲酶菌和产碳酸酐酶菌生长代谢特征测试方法

挑取S3中得到的菌落分别进行富集培养，富集培养使用的培养基不包含琼脂，其余成分与S2中产脲酶菌筛选平板培养基和产碳酸酐酶菌筛选平板培养基成分相同。对生长代谢特征进行以下测定时，前8h每隔1h测定一次，前80h每隔8h测定一次。

a、电导率变化测定

将45mL的1.6M尿素溶液和5mL产脲酶菌菌液混合，使用便携式电导率仪测定混合溶液的电导率。混合溶液前后5min电导率变化值即可间接表示产脲酶菌菌液脲酶活性，该值可反映出产脲酶菌的尿素水解能力。

b、产脲酶菌培养基中尿素含量测定

利用二甲氨基苯甲醛显色分光光度法测定，以每10mL产脲酶菌菌液每小时尿素代谢的速度表示溶液中产脲酶菌的脲酶活性。

c、产碳酸酐酶菌活性测定

利用对硝基酚比色法进行测定，以每分钟产生1μmol的对硝基苯酚含量为一个碳酸酐酶活单位。

d、碳酸钙质量称量

产脲酶菌：在10mL试管内各加入2mL菌液及等量胶结液(1.1mmol/L尿素和1.0mmol/L乙酸钙混合液)，使其在一定时间内进行反应得到反应液。

产碳酸酐酶菌：在10mL试管内各加入2mL菌液及等量胶结液(0.5mol/L碳酸氢钠和1.0mmol/L乙酸钙混合液)，使其在一定时间进行反应得到反应液。

利用离心机对反应液进行离心，倒掉上清液得到沉淀物，将其均匀涂在已称质量的载玻片上。待沉淀物自然晾干后再称沉淀物和载玻片的总质量，二者相减得到沉淀物质量，即为固定时间内各细菌诱导生成的碳酸钙含量，并以此反映细菌诱导碳酸钙沉淀的效率。

在固定时间内生成的碳酸钙含量越多，说明该细菌的代谢效率越高，活性越好，并选择活性高的菌株作为最终菌源。

实施例2

产脲酶菌和产碳酸酐酶菌复合菌剂的制备

在无菌环境下，将产脲酶菌及产碳酸酐酶菌复合菌剂均按照10％的接种比例分别接种到灭菌后的产脲酶菌筛选平板培养基(不含琼脂)和产碳酸酐酶菌筛选平板培养基(不含琼脂)中，在30℃，转速130r/min的恒温振荡箱中培养12-36h。

培养完成后分别置于20mL无菌离心管中经过离心机离心，倒出上清液得到两种浓缩菌剂，将二者分别定容到10mL，利用紫外分光光度仪测定细菌悬液吸光度OD600值，根据OD600值确定二者的菌体浓度。

表1、不同试件中复合菌剂配合比例及相应营养成分

将已知浓度的两种菌液进行配比，配比体积依据菌体浓度计算得到。复合菌剂中两种菌液的配比可调，将修复剂使用去离子水定容至30mL，将其用于3D打印自修复混凝土的制备。

由于产脲酶菌及产碳酸酐酶菌最适的营养物质不同，使用不同配比的复合菌剂时，需对其营养成分进行相应调整。如表1所示，表1中营养成分另外溶于150-178mL无菌水中作为营养成分在3D打印自修复混凝土制备时添加。

实施例3

基于复合菌剂的3D打印自修复混凝土的制备

表2、不同配比复合菌剂制备3D打印自修复混凝土的成分配比

S1、称量取硅酸盐水泥、水泥、硅灰、石英砂、矿粉、乙酸钙及修复剂，其中修复剂为复合菌剂和营养成分；

其中，固定总水泥(硅酸盐水泥和水泥)的质量为500g，水泥(高贝425水泥)占总水泥质量的10％。

硅灰的质量为50g，硅灰的质量为总水泥重量的10％。

石英砂质量为900g，石英砂的质量为总水泥质量的160％，石英砂的粒径分别为0.425-0.850mm和0.212-0.425mm，两种粒径的混合体积比为1:1.1。

矿粉的质量为60g，矿粉的质量为总水泥重量的12％。

乙酸钙的质量为25g，乙酸钙的质量为总水泥重量的5％。

修复剂中的复合菌剂为30mL，营养成分为150-178mL。

S2、取S1中的硅酸盐水泥、水泥、硅灰、石英砂、矿粉和乙酸钙加入搅拌机混合搅拌30s，混合后继续三分之二体积的营养成分搅拌得到混合物。

S3、向S2中的混合物加入修复剂中的复合菌剂搅拌，使用剩余营养成分将残余菌剂洗涤后加入搅拌机，得到3D打印自修复混凝土。

由于修复剂中复合菌剂如表1所示存在不同配比，因此，使用不同配比修复剂制备的得到不同的3D打印自修复混凝土成分配比，如表2所示。

实施例4

使用实施例3中制备得到的3D打印自修复混凝土进行3D打印，打印宽度为2-4cm，打印时间为0-45min。3D打印自修复混凝土养护前2-3天进行喷水覆膜养护，随后进行浸水养护，28天养护结束后微小裂缝可自行修复。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。