一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺

技术领域

本发明涉及一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺。

背景技术

现今世界海岛建设方兴未艾，各种跨海大桥层出不穷，尤其是近几年我国投入巨资建设南海岛屿。混凝土具有良好的抗压强度与耐久性，同时兼具较好的施工性能，是建筑、桥梁中最常见的材料组成。对于混凝土桥梁结构常见的病害包括：裂缝、剥落、蜂窝、空洞等。但是其病害的最终形式是裂缝。虽然裂缝在规范里是作为正常使用状态中耐久性来评价，但结构损坏乃致倒塌往往是从裂缝的扩展开始的，由安全状态随着时间的延伸而逐渐转化为不安全状态。

传统的针对桥墩裂缝的维修方法有：增大界面加固技术、体外预应力加固技术、嵌入式加固技术等。增大截面加固技术是在原有柱子的表面包裹一层混凝土，从而增大构件的截面面积和配筋的一种常规加固技术，可以提高被加固构件的承载能力，加大其截面刚度，改变其自振频率，改善正常使用阶段的性能。体外预应力加固技术，体外预应力加固技术由于预应力的作用可以将裂缝中的荷载效应抵消一部分，改变墩身受力状况，既可以对已存在的裂缝有所补救，同时又能防止裂缝的发展和新裂缝的产生。所谓嵌入式加固技术是将加固棒材(高强钢筋、FRP筋等)嵌入结构表面(混凝土保护层)预先开好的槽中，并向槽中注入树脂黏结材料使之形成整体，以此来改善结构性能的方法。

然而以上传统方法，要么需要改变原有桥墩结构，要么加固前需要对桥墩造成更大的创口，对于已出现裂缝的桥墩无法做到从根本上消除裂缝。而且跨海大桥身处海洋，环境复杂，远离内陆，混凝土、高强度等钢筋建设所需的高质量材料匮乏，尤其是水泥柱的各种原料特别是氯化钙原料只能靠外部输送，如果从内陆运送则成本极高。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的首要目的在于提供一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺，包括如下步骤：

S1、采用南海钙质沙进行钙离子提取得到氯化钙溶液；

S2、在发现裂缝的桥墩处，安装反应套管模具反应装置，将南海钙质砂颗粒分三次装入桥墩和模具反应装置间的空隙，并分批注入细菌液、加入尿素和步骤S1得到的氯化钙溶液进行循环灌注，并重复循环灌注过程。

其中，所述步骤S1，包括如下具体步骤：

S1-1、称量南海钙质砂进入碎石机进行机械破碎成小粒径颗粒，得到破碎后的南海钙质砂；

S1-2、稀盐酸与破碎后的南海钙质砂进入钙离子提取反应器中进行第一次反应生成氯化钙溶液、二氧化碳气体以及水；

S1-3、通过钙离子提取反应器底部流出的反应混合物将进一步经过沉淀池进行初次分离，未反应的南海钙质砂将重新回流至钙离子提取反应器进行第二次反应生成氯化钙溶液，收集该氯化钙溶液和步骤S1-2第一次反应生成氯化钙溶液为最终提取产物氯化钙溶液；

S1-4、同时将剩余混合物进入微滤系统进行进一步分离和提纯，通过微滤系统之后的产物溶液将在酸碱中和反应器中进行中和反应得到含有一定盐度的氯化钠溶液。

其中，步骤S2中，所述反应套管模具反应装置是由两片半圆柱性PVC材料的管片拼接而成，并分别开设有A口、B口、C口以及D口，拼接处具有防水性，且可以拆卸重复使用。

其中，步骤S2中，包括如下具体步骤：将南海钙质砂颗粒分三次装入桥墩和反应套管模具反应装置间的空隙，首次填装一层南海钙质砂颗粒后，将细菌液从A口注入，经B口流出，并循环回A口，循环8～10小时，期间不加入尿素和氯化钙溶液；8～10小时后，停止细菌液的循环，加入尿素和氯化钙溶液循环灌注13～17小时；22～26小时后，再次填装一层南海钙质砂颗粒，重复上一次的循环灌注过程，由A口到C口；46～50小时后，最后填装一层南海钙质砂颗粒，重复循环灌注过程，由A口到D口。

其中，步骤S1-1)中，所述破碎后的南海钙质砂的粒径为<0.5mm。

其中，步骤S1-2)中，所述稀盐酸的浓度为35～40％；所述稀盐酸与破碎后的南海钙质砂的质量比为2.0～2.5：1。

其中，步骤S1-3)中，所述通过钙离子提取反应容器底部流出的反应混合物为氯化钙、水、未反应的南海钙质砂、剩余稀盐酸以及胶状天然多糖类产物EPS；所述通过微滤系统之后的产物溶液为水，氯化钙以及少量稀盐酸；所述微滤系统为滤膜系统；所述酸碱中和反应器中的碱为氢氧化钠；所述含有一定盐度的氯化钠溶液的盐度为5～10g/LNaCl。

其中，所述南海钙质砂颗粒的粒径为1～3mm；所述氯化钙溶液是由步骤S1-3)所得的最终提取产物氯化钙溶液调配至氯化钙浓度为6～8g/L的氯化钙溶液；所述尿素的浓度为18～22g/L。

所述细菌液参与加固的细菌种类和培养细菌的基本条件如下所示：

·生物种类：巴斯芽孢杆菌；

·培养基成分：酪蛋白胨(15g/L)，氯化钙(5g/L)大豆蛋白胨(5g/L)，pH7.3；

·培养条件：培养(30℃)，12-18小时，150rpm；

·测试粒径：0.5mm，1mm和2mm。

本发明还公开了上述桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺在桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明通过采用南海钙质沙进行钙离子提取得到氯化钙溶液，并通过将该提取得到的氯化钙溶液与细菌液循环浇灌，既能将南海钙质砂中碳酸钙直接转换成氯化钙，又能实现对桥墩裂缝的生物加固，使得与桥墩基体材料的协调性、渗透性更好，可以深入最微小的裂缝，生成的碳酸钙晶体(生物水泥)可以有效地和桥墩基体材料更好的结合，起到了填充裂缝和粘结裂缝的作用，且具有成本低，取材方便，副产物少且安全，不会对海洋环境造成污染等优点。

(2)本发明对桥墩裂缝的生物加固，同时可以在桥墩外表面会生成由生物加固后的南海钙质砂颗粒加固形成的保护层，可以有效预防周围环境对桥体的冲击和腐蚀。

附图说明

图1为本发明桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺的流程示意图；

图2为本发明桥墩加固装置的结构示意图；

图3为本发明桥墩加固装置的截面示意图；

图4为本发明采用南海钙质沙进行钙离子提取的提取装置示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式来进一步说明本发明，以下实施例为本发明具体的实施方式，但本发明的实施方式并不受下述实施例的限制。

本发明的实施例及对比例采用的原料均为市场购买。

微滤系统：杭州凯滤膜技术有限公司，型号：MBR设备(成套型)。

加固前(后)质量的测试方法：通过称重进行测量。

加固前(后)孔隙率的测试方法：考虑相对孔隙率的概念，将加固前的通过称重所得的质量进行计算(式样试验前后体积相等，通过测得质量进行换算)。

无侧限抗压强度的测试方法：压力强度试验标准试样的尺寸，其试样的直径与高度之比应为1:2。采用进行压力强度试验所用的仪器为美斯工业系统(中国)生产的电子万能试验机，型号为E45.105，试验设置加载速度为0.5mm/min，将试样平稳放置在平台上，持续加载直至试样发生明显破坏，过程中仪器通过压力传感器与位移传感器采集数据，并传至电脑操作平台，软件平台实时生成应力应变曲线，最终获取试样无侧限抗压强度结果。

实施例1：

如图1所示，一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺，包括如下步骤：

S1、采用南海钙质沙进行钙离子提取得到氯化钙溶液，工艺流程如图4所示；

其中，所述步骤S1，包括如下具体步骤：

S1-1、称量南海钙质砂进入碎石机进行机械破碎成小粒径颗粒，得到破碎后的南海钙质砂；破碎为<0.5mm粒径的，用于提取得到氯化钙溶液；破碎为1～3mm粒径的，用于生成桥墩外表面保护层；

S1-2、浓度为35％的稀盐酸与破碎后<0.5mm粒径的南海钙质砂，按质量比为2.5：1进入钙离子提取反应器中进行第一次反应生成氯化钙溶液、二氧化碳气体以及水；

S1-3、通过钙离子提取反应器底部流出的反应混合物将进一步经过沉淀池进行初次分离，未反应的南海钙质砂将重新回流至钙离子提取反应器进行第二次反应生成氯化钙溶液，收集该氯化钙溶液和步骤S1-2第一次反应生成氯化钙溶液为最终提取产物氯化钙溶液；

S1-4、由于前述步骤中加入了稀盐酸，使得氯化钙溶液呈现酸性并且含有剩余的一些杂质，需要进一步的将混合溶液进行过滤和中和反应：先将剩余混合物进入微滤系统进行进一步分离和提纯，通过微滤系统之后的产物溶液将在如图4所示的酸碱中和反应器中进行中和反应得到含有一定盐度的氯化钠溶液；

其中，所述通过钙离子提取反应容器底部流出的反应混合物为氯化钙、水、未反应的南海钙质砂、剩余稀盐酸以及胶状天然多糖类产物EPS；所述通过微滤系统之后的产物溶液为水，氯化钙以及少量稀盐酸；所述微滤系统为滤膜系统；所述酸碱中和反应器中的碱为氢氧化钠；所述含有一定盐度的氯化钠溶液的盐度为5g/L；

S2、在发现裂缝的桥墩处，安装如图2和图3所示的反应套管模具反应装置，所述反应套管模具反应装置是由两片半圆柱性PVC材料的管片拼接而成，并分别开设有A口、B口、C口以及D口，拼接处具有防水性，且可以拆卸重复使用；将南海钙质砂颗粒分三次装入桥墩和反应套管模具反应装置间的空隙，首次填装一层南海钙质砂颗粒后，将细菌液从A口注入，经B口流出，并循环回A口，循环10小时，期间不加入尿素(浓度为18g/L)和氯化钙溶液(由步骤S1-3)所得的最终提取产物氯化钙溶液调配至氯化钙浓度为6～8g/L的氯化钙溶液)；10小时后，停止细菌液的循环，加入尿素和氯化钙溶液循环灌注13小时；26小时后，再次填装一层南海钙质砂颗粒，重复上一次的循环灌注过程，由A口到C口；46小时后，最后填装一层南海钙质砂颗粒，重复循环灌注过程，由A口到D口；

其中，所述细菌液参与加固的细菌种类和培养细菌的基本条件如下所示：

·生物种类：巴斯芽孢杆菌；

·培养基成分：酪蛋白胨(15g/L)，氯化钙(5g/L)大豆蛋白胨(5g/L)，pH7.3；

·培养条件：培养(30℃)，12-18小时，150rpm；

·测试粒径：0.5mm，1mm和2mm。

实施例2：

一种桥墩裂缝的生物加固和防腐蚀工艺，包括如下步骤：

S1、采用南海钙质沙进行钙离子提取得到氯化钙溶液；

其中，所述步骤S1，包括如下具体步骤：

S1-1、称量南海钙质砂进入碎石机进行机械破碎成小粒径颗粒，得到破碎后的南海钙质砂；破碎为<0.5mm粒径的，用于提取得到氯化钙溶液；破碎为3mm粒径的，用于生成桥墩外表面保护层；

S1-2、浓度为40％的稀盐酸与破碎后<0.5mm粒径的南海钙质砂，按质量比为2.0：1进入钙离子提取反应器中进行第一次反应生成氯化钙溶液、二氧化碳气体以及水；

S1-3、通过钙离子提取反应器底部流出的反应混合物将进一步经过沉淀池进行初次分离，未反应的南海钙质砂将重新回流至钙离子提取反应器进行第二次反应生成氯化钙溶液，收集该氯化钙溶液和步骤S1-2第一次反应生成氯化钙溶液为最终提取产物氯化钙溶液；

S1-4、由于前述步骤中加入了稀盐酸，使得氯化钙溶液呈现酸性并且含有剩余的一些杂质，需要进一步的将混合溶液进行过滤和中和反应：先将剩余混合物进入微滤系统进行进一步分离和提纯，通过微滤系统之后的产物溶液将在酸碱中和反应器中进行中和反应得到含有一定盐度的氯化钠溶液；

其中，所述通过钙离子提取反应容器底部流出的反应混合物为氯化钙、水、未反应的南海钙质砂、剩余稀盐酸以及胶状天然多糖类产物EPS；所述通过微滤系统之后的产物溶液为水，氯化钙以及少量稀盐酸；所述微滤系统为滤膜系统；所述酸碱中和反应器中的碱为氢氧化钠；所述含有一定盐度的氯化钠溶液的盐度为10g/L；

S2、在发现裂缝的桥墩处，安装如图2和图3所示的反应套管模具反应装置，所述反应套管模具反应装置是由两片半圆柱性PVC材料的管片拼接而成，并分别开设有A口、B口、C口以及D口，拼接处具有防水性，且可以拆卸重复使用；将南海钙质砂颗粒分三次装入桥墩和反应套管模具反应装置间的空隙，首次填装一层南海钙质砂颗粒后，将细菌液从A口注入，经B口流出，并循环回A口，循环8小时，期间不加入尿素(浓度为18g/L)和氯化钙溶液(由步骤S1-3)所得的最终提取产物氯化钙溶液调配至氯化钙浓度为8g/L的氯化钙溶液)；8小时后，停止细菌液的循环，加入尿素和氯化钙溶液循环灌注17小时；22小时后，再次填装一层南海钙质砂颗粒，重复上一次的循环灌注过程，由A口到C口；50小时后，最后填装一层南海钙质砂颗粒，重复循环灌注过程，由A口到D口；

其中，所述细菌液参与加固的细菌种类和培养细菌的基本条件如下所示：

·生物种类：巴斯芽孢杆菌；

·培养基成分：酪蛋白胨(15g/L)，氯化钙(5g/L)大豆蛋白胨(5g/L)，pH7.3；

·培养条件：培养(30℃)，12-18小时，150rpm；

·测试粒径：0.5mm，1mm和2mm。

对比例1：

碳酸钙与醋酸需在较高温度(50℃)下进行反应，生成的钙离子主要以醋酸钙为主，对桥墩裂缝进行加固实验，其他步骤同实施例1。

对比例2：

采用传统的用氯化钙固体对桥墩裂缝进行加固实验，其他步骤同实施例1。

采用实施例1-2及对比例1-2的工艺在桥墩裂缝的生物加固的应用：

在对桥墩进行加固前，先进行加固水泥的强度测试，按照1：2的半径和高的模型比例，用上述方法，用0.5mm粒径的南海钙质砂颗粒，制作生物加固水泥柱，并进行无侧限抗压强度测试(UCS)，测试加固前质量、加固后质量、加固前孔隙率、加固后孔隙率以及无侧限抗压强度，测试结果如表1所示。

表1

采用实施例1-2及对比例1-2的工艺在桥墩裂缝的防腐蚀的应用：

将实施例1-2及对比例1-2的试样放置于pH＝9的弱碱性环境中一个月，模拟其受到腐蚀侵蚀的情况，在一个月后再进行一次无侧限抗压测试，记录其一个月后的无侧限抗压强度用以表征防腐蚀性能，测试结果如表2所示。

表2

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。