專利名稱：一種結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及混凝土工程領域，特別是涉及一種結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)。
背景技術：
地下結構(如城市軌道交通隧道結構)設計壽命為100年，其所處巖土賦存條件復雜，周邊環(huán)境敏感，列車運行密度極高，使用條件苛刻，結構自身在多因素長期作用下性能不斷劣化，一旦損壞不易或不可更換，并將會誘發(fā)地下工程災害。硫酸鹽侵蝕是混凝土耐久性的一項重要內(nèi)容，同時也是影響因素最復雜、危害性最大的一種環(huán)境水侵蝕，如亢景富，混凝土硫酸鹽侵蝕研究中的幾個基本問題[J]，混凝土，1995，3 :9-18中所記載的，近年來，在鐵路、公路、礦山和水電工程中都發(fā)現(xiàn)了地下水對混凝土結構物的硫酸鹽侵蝕破壞問題， 有的已經(jīng)嚴重威脅了工程的安全運行，如成昆鐵路的部分隧道工程，枝柳鐵路工程等。隧道結構混凝土受硫酸鹽腐蝕的機理主要是混凝土管片由于列車疲勞荷載以及其它原因產(chǎn)生裂縫，地下水中大量S042_離子通過裂縫進入混凝土內(nèi)，與混凝土中的Ca (OH) 2以及水化鋁酸鈣3Ca0 · Al2O3 · 6H20發(fā)生化學反應，生成過量的石膏CaSO4 · 2H20和鈣礬石3Ca0 · Al2O3 · 3CaS04 · 31H20,由于石膏和I丐帆石結晶膨脹,其體積較同體積的反應物增大一倍以上，從而使混凝土膨脹開裂[見附圖1]。如賀傳卿，李永貴，王懷義，高建新，硫酸鹽對水泥混凝土的侵蝕及其防治措施[J].混凝土，2003，3 56-57中所記載的，混凝土抗硫酸鹽侵蝕主要包括以下幾種方法I)降低水泥熟料中C3A與C3S含量水泥石中，水化產(chǎn)物3Ca0 · Al2O3 · 6H20占首位，其次是Ca(OH)2，兩者的含量由硅酸鹽水泥熟料中的硅酸三鈣C3S和鋁酸三鈣C3A決定，因此控制水泥熟料中的C3A和C3S有助于提聞混凝土的抗硫酸鹽腐蝕能力。2)摻優(yōu)質(zhì)礦物摻合料在混凝土中摻入優(yōu)質(zhì)的礦物摻合料(例如粉煤灰，礦渣微粉，硅灰等)取代部分水泥一方面將減小C3A與C3S含量，另一方面將與Ca(OH)2發(fā)生反應產(chǎn)生C-S-H凝膠，混凝土強度提高、結構改變，阻止S042_的腐蝕。3)控制水灰比低水灰比混凝土密實度高，抗?jié)B性能好，能有效控制S042_的腐蝕。4)適宜的水泥摻量實驗證明提高水泥用量、降低滲透性將會降低硫酸鹽的腐蝕。5)摻優(yōu)質(zhì)外加劑減水劑是一種表面活性劑，能大幅降低混凝土用水量，能改善混凝土的和易性，增大流動性，提高密實度。引氣劑能在混凝土中引入大量互不貫通的微小氣泡，均勻分布在混凝土中，能切斷毛細孔通道，提高混凝土抗?jié)B性。由于混凝土密實度和抗?jié)B性的提高，能有效減少SO42-的腐蝕。6)嚴格控制施工質(zhì)量正確的振搗可以提高混凝土的密實度。正確的養(yǎng)護可以提高混凝土強度、抗?jié)B、抗凍能力以及防止裂縫產(chǎn)生。通過控制施工質(zhì)量能提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕的性能。7)采用防腐涂層將防腐涂料涂刷于結構物表面，阻止SO42-侵入。
總結起來，現(xiàn)有的抗硫酸鹽腐蝕方法用于隧道結構時存在如下缺點及不足I)提高混凝土的設計等級、提高混凝土及其鋼筋自身的防護能力等雖可解決一些問題，但實踐證明仍無法有效長期控制硫酸鹽腐蝕。而且抗硫酸鹽水泥耐腐蝕指標規(guī)定SO廣的濃度為2500mg/L,而實際上SO廣的濃度經(jīng)常超過這一指標,普通抗硫酸鹽水泥滿足不了實際工程需要。2)采用防腐涂層時施工難度大，且涂層易脫落。3)后期無法阻止硫酸鹽的進一步擴散。

發(fā)明內(nèi)容
鑒于以上所述現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，用于解決現(xiàn)有技術中的問題。本發(fā)明對現(xiàn)有的混凝土抗硫酸鹽腐蝕方法進行改進，借助微膠囊自修復裂縫的思想，建立智能的抗硫酸鹽腐蝕的隧道結構混凝土系統(tǒng)，提高地下隧道的安全性和耐久性，延長地鐵隧道的壽命。為實現(xiàn)上述目的及其他相關目的，本發(fā)明第一方面提供一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，包括混凝土基體，所述混凝土基體內(nèi)設有微生物微膠囊，所述微生物微膠囊內(nèi)包覆有硫酸鹽還原菌(Sulfate-Reducing Bacteria,簡稱SRB)及適合所述硫酸鹽還原菌生長的培養(yǎng)基。所述混凝土基體承擔地下結構外部荷載,如土體荷載或列車荷載。所述微生物微膠囊的微膠囊壁保護內(nèi)部的微生物和培養(yǎng)基不受混凝土高堿性以及其他外界環(huán)境的影響。當裂縫擴展時膠囊壁破裂，釋放內(nèi)部硫酸鹽還原菌和培養(yǎng)基，抵抗硫酸鹽腐蝕。所述硫酸鹽還原菌指在無氧或極少氧情況下，能夠?qū)⒘蛩猁}還原成硫，且從氧化還原反應中獲得能量的細菌。進一步的，所述硫酸鹽還原菌在本發(fā)明中的作用是在新陳代謝的過程中消耗硫酸根離子，從而減小混凝土內(nèi)硫酸根離子濃度，同時產(chǎn)生硫沉淀，阻塞硫酸鹽進一步腐蝕的通道。優(yōu)選地，所述硫酸鹽還原菌選自脫硫菌屬(Desulfobacter)、脫硫球菌屬(Desulfococcus)、脫硫八疊球菌屬(Desulfosaricina)和脫硫線菌屬(Desulfonema)等中的一種或多種。所述硫酸鹽還原菌所對應的培養(yǎng)基選自K2HPO4, NH4Cl, Na2SO4, CaCl2 ·2Η20，MgSO4 ·7H2O,乳酸鈉溶液，蒸餾水，F(xiàn)e (NH4)2 (SO4) 26H20, Na2HPO4,氯化鎂，檸檬酸鈉，酵母膏，丙酮酸鈉，硫酸鐵、巰基乙酸鈉等中的一種或多種，培養(yǎng)基中菌濃度的范圍為109-101(lcell/mL。具體的，所述培養(yǎng)基包括但不僅限于以下幾種K2HPO4O. 5g, NH4Cl lg, Na2SO4Ig, CaCl2 · 2H20 O. lg, MgSO4 · 7H20 2g, 70% 乳酸鈉溶液 5g，蒸餾水 lOOOmL，F(xiàn)e (NH4) 2 (SO4) 26H20 O. 2g ；KH2PO4O. 15g ；NH4Cl1.1g ；CaCl22H20 0.1lg ；Na2S04l.1g ；MgS047H20 2.1g ;乳酸鈉(80%) 3. 15ml ;酵母浸膏1.1g ；FeS047H20 0. 15g ；VcO.1lg ;巰基乙酸鈉 0.1lg ;蒸餾水 IL ；Na2HP041. 12g ；KH2P041. 18g ；NH4CI1.1Og ；MgCl2 · 6H20 0. 105g ；CaCl2 · 2H200. 106g ;乳酸鈉(80%) 3. 15ml ;檸檬酸鈉 FeCl2溶液1. 10ml,;酵母浸膏1.1Og ;水10OOmT,；KH2PO4O. 15g ；NH4Cl1.1Og ；CaCl2 · 2H20 0.1lg ；MgCl2l. 16g ；FeS04 · 7H20 0.1g ;酵母浸膏0. 12g ;丙酮酸鈉3. 15g ；Vc 0.1lg ;巰基乙酸鈉0.1g ;蒸懼水1000ml ；優(yōu)選的，混凝土基體內(nèi)微生物微膠囊的體積摻量為混凝土總體的5%_15%。優(yōu)選的，所述微生物微膠囊為球形，所述微生物微膠囊的直徑為5-1000微米。優(yōu)選地，所述微膠囊壁材料選自動物明膠、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸樹脂、聚氨酯橡膠、聚脲類、合成蠟、乙酸丁酸纖維素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛樹脂類、聚氨酯類。優(yōu)選的，所述微膠囊壁厚為O. 1-5微米。 優(yōu)選的，所述微膠囊壁材料為聚脲甲醛，壁厚為O. 5微米，微生物微膠囊的半徑為200微米。所述聚脲甲醛微膠囊壁材，在隧道結構中裂縫擴展時會隨之破裂，從而使其中能夠新陳代謝消耗硫酸根的微生物以及其對應的培養(yǎng)基流出，培養(yǎng)基為微生物新陳代謝提供養(yǎng)料，從而達到減小混凝土中硫酸根離子濃度的目的。同時產(chǎn)生硫沉淀，阻塞硫酸鹽進一步腐蝕的通道。優(yōu)選的，所述微生物微膠囊在混凝土基體內(nèi)均勻分布。所述微生物微膠囊將包含有微生物的培養(yǎng)基微膠囊化，使用時,將微生物微膠囊按照既定比例與混凝土一起攪拌，使微膠囊在混凝土基體里均勻分布。本發(fā)明第二方面提供一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)在混凝土抗硫酸鹽腐蝕領域的應用。具體的，其應用領域包含隧道、地鐵、樁基、地下室、共同溝等埋置于巖土體中的地下混凝土結構、處于含硫酸鹽水環(huán)境中的海工混凝土結構以及其他可能遭受硫酸鹽腐蝕的混凝土結構等。當含硫酸根離子的地下水侵入混凝土時，混凝土基體上裂縫擴展使微膠囊壁破裂，微膠囊中的含有微生物的培養(yǎng)基流出，在新陳代謝過程中消耗硫酸根離子，減小混凝土中硫酸根離子濃度，從而減小硫酸鹽腐蝕程度。同時，硫酸鹽還原菌自身新陳代謝生成硫沉淀，填充混凝土孔隙和裂縫，阻塞硫酸鹽進一步腐蝕的通道，進一步提高混凝土抗硫酸鹽腐蝕的能力。本發(fā)明所提供的微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)為混凝土基體硫酸鹽侵蝕的修復和有效延緩潛在的危害提供了一種新的方法，一個自修復系統(tǒng)將免去有效的監(jiān)測和外部修復所需的高額費用，避免了人工修復帶來的軌道交通線路停運等問題，大大提高隧道的安全性和耐久性，地鐵的使用壽命也將延長。本微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)與現(xiàn)有的抗硫酸鹽侵蝕方法相比，有如下幾個方面的優(yōu)點I)可以實現(xiàn)混凝土智能控制硫酸鹽濃度，降低硫酸鹽腐蝕程度；2)可以在減小硫酸根離子濃度的同時產(chǎn)生硫沉淀，阻塞硫酸鹽腐蝕的通道；3)微膠囊可以保護內(nèi)部微生物和培養(yǎng)基免受外界環(huán)境的影響，使微生物和培養(yǎng)基抗硫酸鹽腐蝕能力長時間有效；4)相比采用防腐涂層，本抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)因為微生物微膠囊大量均勻分布在混凝土基體中，能實現(xiàn)大范圍的修復。


圖1顯示為硫酸鹽腐蝕鋼筋混凝土示意圖。圖2顯示為本發(fā)明微膠囊微生物抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)示意圖。(a)微膠囊微生物抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)示意圖；(b)微膠囊示意圖。圖3顯示為本發(fā)明微膠囊微生物抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)工作原理圖；(a)修復前； (b)修復后。元件標號說明I微膠囊壁2微生物3培養(yǎng)基4氫氧化鈣和水化鋁酸鈣5混凝土基體6外部硫酸鹽溶液7受腐蝕的混凝土8未受腐蝕的混凝土9氫氧化鈣和水化鋁酸鈣10外部硫酸鹽溶液向混凝土內(nèi)部擴散11由于氫氧化鈣和水化鋁酸鈣膨脹使混凝土開裂12外部硫酸鹽溶液沿著裂縫向混凝土內(nèi)部擴散13生成的沉淀填充了裂縫，阻止硫酸鹽進一步腐蝕14被硫酸鹽腐蝕的混凝土15被硫酸鹽腐蝕的混凝土由于硫酸根離子含量減小，被腐蝕的區(qū)域減小16未被硫酸鹽腐蝕的混凝土
具體實施例方式以下通過特定的具體實例說明本發(fā)明的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點與功效。本發(fā)明還可以通過另外不同的具體實施方式
加以實施或應用，本說明書中的各項細節(jié)也可以基于不同觀點與應用，在沒有背離本發(fā)明的精神下進行各種修飾或改變。在進一步描述本發(fā)明具體實施方式
之前，應理解，本發(fā)明的保護范圍不局限于下述特定的具體實施方案；還應當理解，本發(fā)明實施例中使用的術語是為了描述特定的具體實施方案，而不是為了限制本發(fā)明的保護范圍；在本發(fā)明說明書和權利要求書中，除非文中另外明確指出，單數(shù)形式“一個”、“一”和“這個”包括復數(shù)形式。當實施例給出數(shù)值范圍時，應理解，除非本發(fā)明另有說明，每個數(shù)值范圍的兩個端點以及兩個端點之間任何一個數(shù)值均可選用。除非另外定義，本發(fā)明中使用的所有技術和科學術語與本技術領域技術人員通常理解的意義相同。除實施例中使用的具體方法、設備、材料外，根據(jù)本技術領域的技術人員對現(xiàn)有技術的掌握及本發(fā)明的記載，還可以使用與本發(fā)明實施例中所述的方法、設備、材料相似或等同的現(xiàn)有技術的任何方法、設備和材料來實現(xiàn)本發(fā)明。除非另外說明，本發(fā)明中所公開的實驗方法、檢測方法、制備方法均采用本技術領域常規(guī)的分子生物學、生物化學、染色質(zhì)結構和分析、分析化學、細胞培養(yǎng)、重組DNA技術及相關領域的常規(guī)技術。這些技術在現(xiàn)有文獻中已有完善說明，具體可參見SambiOOk等 MOLECULAR CLONING A LABORATORY MANUAL, Second edition, Cold Spring HarborLaboratory Press,1989and Third edition,2001 ；Ausubel 等，CURRENT PROTOCOLSIN MOLECULAR BIOLOGY, John Wiley & Sons, New York,1987and periodic updates ；the series METHODS IN ENZYM0L0GY, Academic Press, San Diego ；ffolffe, CHROMATINSTRUCTURE AND FUNCTION, Third edition, Academic Press, San Diego,1998 ；METH0DSIN ENZYM0L0GY, Vol. 304, Chromatin(P. M. Wassarman and A. P. ffolffe, eds. ), AcademicPress, San Diego,1999 ；和 METHODS IN MOLECULAR BIOLOGY, Vol.119， ChromatinProtocols (P. B. Becker, ed. ) Humana Press, Totowa, 1999 等。實施例1首先配置含硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)基，脫硫菌屬的硫酸鹽還原菌的濃度為IO9Cell/ml，加入 K2HPO4O. 5g, NH4Cl lg, Na2SO4Ig, CaCl2 · 2H20 0. lg, MgSO4 · 7H20 2g, 70% 乳酸鈉溶液5g，蒸餾水lOOOmL，F(xiàn)e (NH4)2 (SO4) 26H20 0. 2g。采用傳統(tǒng)原位聚合法制取微生物微膠囊稱量50克脲，90克甲醛配成混合溶液，用稀NaOH溶液調(diào)節(jié)PH為8_9，再進行水浴加熱反應一段時間直到全部溶解制得預聚體。將含硫酸鹽還原菌的培養(yǎng)基在SDBS (十二烷基苯磺酸鈉)溶液中乳化一段時間，再加至預聚體溶液中用稀酸溶液調(diào)節(jié)PH至2-2. 5，同時升溫至55°C，攪拌反應2小時，再升溫65°C反應，之后再用丙酮和蒸餾水洗滌、抽濾、干燥即可得微生物微膠囊。微生物微膠囊的半徑為200微米，壁厚為0. 5微米。混凝土制備制備隧道管片常用的C50混凝土，每立方米混凝土基體內(nèi)使用體積含量為10%的微生物微膠囊，體積比中水:水泥砂石子=205:488:562:1195，水灰比0.4，含砂率32%。 首先將微生物微膠囊倒入水中，攪拌直到微膠囊充分分散。然后采用常規(guī)混凝土配制方法，將水倒入攪拌器中，加入所需水泥、砂、石，混合均勻后導入模具，找平、養(yǎng)護I天，然后脫膜、堆碼、自然養(yǎng)護28天?；炷林瞥蛇呴LIOOmm的標準混凝土立方體試樣。取3組80°C水浴養(yǎng)護28天的平行樣，每組3塊試樣。第一組測試壓縮強度Ptl,采用混凝土抗壓強度測量的標準方法測定Ptl (《水工混凝土試驗規(guī)程SL352-2006》)。第二組進行S(Fc)Pci的預壓破壞，再浸泡于10g/100ml的Na2SO4溶液中，三塊試樣分別浸泡3天，7天，28天；第三組進行609^。的預壓破壞，再浸泡于10g/100ml的Na2SO4溶液中，三塊試樣分別浸泡3天，7天，28天。對第二組和第三組試樣用SEM觀察裂縫表面形貌，以及用XRD分析裂縫表面化學成分發(fā)現(xiàn)有硫酸鹽還原菌代謝產(chǎn)物硫沉淀生成。浸泡時間越長，硫沉淀越多。初始損傷越大，硫沉淀越多。其具體實驗原理如圖3所示。實施例2
參照實施例1中的方法，分別對脫硫球菌屬、脫硫八疊球菌屬和脫硫線菌屬硫酸鹽還原菌進行實驗，具體實驗條件如表I所示。表I
權利要求
1.一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，包括混凝土基體，所述混凝土基體內(nèi)設有微生物微膠囊，所述微生物微膠囊內(nèi)包覆有硫酸鹽還原菌及適合所述硫酸鹽還原菌生長的培養(yǎng)基。
2.如權利要求1所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述硫酸鹽還原菌選自脫硫菌屬、脫硫球菌屬、脫硫八疊球菌屬和脫硫線菌屬中的一種或多種。
3.如權利要求2所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，培 養(yǎng)基中菌濃度的范圍為109-101Qcell/mL。
4.如權利要求1所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，混凝土基體內(nèi)微生物微膠囊的體積摻量為混凝土總體積的5%-15%。
5.如權利要求4所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述微生物微膠囊為球形，所述微生物微膠囊的直徑為5-1000微米。
6.如權利要求1所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述微膠囊壁材料選自動物明膠、聚乙烯醇、三聚氰胺甲醛聚合物、丙烯酸樹脂、聚氨酯橡膠、聚脲類、合成蠟、乙酸丁酸纖維素、醋酸乙烯酯共聚物、脲醛樹脂類、聚氨酯類。
7.如權利要求6所述一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，其特征在于，所述微膠囊壁厚為0. 1-5微米。
8.如權利要求1-7任一權利要求所述的一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)在混凝土抗硫酸鹽腐蝕領域的應用。
全文摘要
本發(fā)明涉及混凝土工程領域，特別是涉及一種結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)。本發(fā)明提供一種地下結構混凝土微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)，包括混凝土基體，所述混凝土基體內(nèi)設有微生物微膠囊，所述微生物微膠囊內(nèi)包覆有硫酸鹽還原菌及適合所述硫酸鹽還原菌生長的培養(yǎng)基。本微生物微膠囊抗硫酸鹽腐蝕系統(tǒng)與現(xiàn)有的抗硫酸鹽侵蝕方法相比，有如下幾個方面的優(yōu)點可以實現(xiàn)混凝土智能控制硫酸鹽濃度，降低硫酸鹽腐蝕程度；可以在減小硫酸根離子濃度的同時產(chǎn)生硫沉淀，阻塞硫酸鹽腐蝕的通道；微膠囊可以保護內(nèi)部微生物和培養(yǎng)基免受外界環(huán)境的影響，使微生物和培養(yǎng)基抗硫酸鹽腐蝕能力長時間有效；能實現(xiàn)大范圍的修復。
文檔編號C04B24/00GK103011652SQ20121058023
公開日2013年4月3日 申請日期2012年12月27日 優(yōu)先權日2012年12月27日
發(fā)明者朱合華, 周帥, 閆治國, 陳慶 申請人:同濟大學