一种混凝土微生物自修复材料及其制备方法与流程

本发明涉及混凝土自修复材料，具体涉及一种混凝土微生物自修复材料及其制备方法。

背景技术：

1、混凝土是由胶凝材料、骨料、水、外加剂、掺和料按一定比例经过搅拌混合而成的人工石材，抗压强度高，耐久性好，是当今世界上用量最大、用途最广的建筑材料，但其脆性的本质特征使其抗裂性能差，很容易在环境温度或载荷作用下产生裂缝，如果不及时对这些裂缝进行修补，很容易使得混凝土裂缝加深，空气中的水分和其他有害物质就会随之进入到混凝土内部引发侵蚀作用，降低混凝土材料的力学性能，严重的话还会引发墙体坍塌，造成人身安全威胁和经济损失风险。

2、目前对混凝土材料的修复方式主要有人力修复和自动修复两种，传统的人力修复方法修复效果较好，但是该方法只能对肉眼可见的裂缝进行修复，对混凝土内部损伤难以及时察觉并进行修补，同时人力修复对于一些特殊结构的裂缝和危险环境下的裂缝毫无办法，具有一定的局限性，为了弥补人力修补技术的局限性，人们在此基础上又研究出了混凝土的自动修复技术。

3、自修复技术一般包含预埋形状记忆合金方法、仿生自愈合技术以及微生物诱导碳酸钙沉淀技术。其中，预埋形状记忆合金方法主要是采用在混凝土中预埋记忆合金金属，当混凝土产生裂缝时，通过通电和加热使记忆合金发生形变从而实现混凝土的自修复，该方法修复效果较好，但是能耗较大，成本较高，在市场推广上具有一定局限性；仿生自愈合技术主要是将修复材料包埋在微球中，当混凝土产生裂缝，微球破裂，修复材料流出填补裂缝，从而实现混凝土的自修复效果，该方法虽然可以在一定程度上实现混凝土的自修复，但是修复材料与混凝土相容性较差，很容易在风或者雨水冲刷下流失出去，修复效果较差。

4、微生物诱导碳酸钙沉淀(micp)技术具有生产能耗低、低碳环保等优势，逐渐引起国内学者的注意。混凝土裂缝微生物修复技术是基于micp技术原理，利用微生物沉积处碳酸钙以实现填充修复裂缝的目的。但现有技术中的混凝土微生物自修复技术中微生物成分在混凝土以及自修复材料中的相容性和稳定性较差，无法有效和均匀的发挥修复能力，并且自修复材料的耐高低能力以及抗渗能力较差，无法长久有效地应用在混凝土中。

5、因此，目前亟需一种在混凝土中具有优异相容性和稳定性，并且耐高温能力和抗渗能力强的混凝土微生物自修复材料。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种在混凝土中具有优异相容性和稳定性，并且耐高温能力和抗渗能力强的混凝土微生物自修复材料及其制备方法。

2、技术方案：

3、一种混凝土微生物自修复材料，包含微生物淀粉微球、吸水树脂、二氧化硅、氧化钙和磷酸钙；

4、所述微生物淀粉微球通过微生物成分与改性淀粉交联制得；

5、所述改性淀粉通过硅烯磷酯与淀粉进行接枝反应制得；

6、所述硅烯磷酯具有如下式a所示结构：

7、

8、本发明通过将微生物成分与改性淀粉进行交联，使微生物成分包裹在淀粉微球内部，当混凝土出现裂缝导致空气中水分进入时，吸水树脂吸附裂缝中出现的水分膨胀后，会致使淀粉微球快速破裂，进而释放其中包覆的微生物成分，进而利用微生物成分沉积碳酸钙以实现填充修复裂缝的效果。

9、进一步地，所述硅烯磷酯通过以下步骤制备：在反应器中，加入二乙基亚磷酸酯、1,1,1-三甲基-n-2-丙烯丙胺基硅烷和去离子水，调节反应器温度至5-10℃后加入次氯酸钠，反应30-50分钟后萃取、干燥制得所述硅烯磷酯。

10、进一步地，所述二乙基亚磷酸酯和1,1,1-三甲基-n-2-丙烯丙胺基硅烷的摩尔比为1.1-1.3：1。

11、进一步地，所述改性淀粉通过以下步骤制备：在反应器中，加入淀粉和去离子水，升温至50-60℃后加入引发剂和硅烯磷酯，反应结束后调节ph至中性，冷却、过滤制得所述改性淀粉。

12、本发明通过硅烯磷酯中的不饱和键成功与淀粉进行接枝改性，一方面，其磷脂结构可以提高淀粉微球与微生物成分之间的相容性以及稳定性，使微生物成分不易失活；另一方面，其硅烷结构可以提高淀粉微球在自修复材料以及混凝土中的相容性和稳定性，并且可以增强淀粉微球的耐高温能力和抗渗能力，使其可以稳定适用于复杂环境。

13、进一步地，所述引发剂选自过硫酸铵、过硫酸钠或过硫酸钾中的一种；所述淀粉与硅烯磷酯的质量比为3-5：1。

14、进一步地，所述微生物淀粉微球通过以下步骤制备：在反应器中，加入改性淀粉、交联剂和去离子水，搅拌混合后糊化，加入微生物成分，搅拌混合均匀后进行喷雾干燥，制得所述微生物淀粉微球。

15、本发明通过将微生物成分与改性淀粉进行交联，使微生物成分包裹在淀粉微球内部，不但可以保护微生物成分不受酸碱性物质的影响失活，同时可以提高自修复材料的稳定性以及与混凝土材料之间的相容性，使其可以长久、有效地发挥出自修复效果。

16、进一步地，所述交联剂选自三氯氧磷或戊二醛中的一种；所述改性淀粉和微生物成分的质量比为6-8：1。

17、进一步地，所述微生物成分选自胶质芽孢杆菌、枯草芽孢杆菌或耐碱酵母中的一种；所述吸水树脂选自丙烯酸酯钠类吸水树脂、聚丙烯酸盐类吸水树脂或淀粉丙烯酸盐类吸水树脂中的一种。

18、上述任意一项混凝土微生物自修复材料的制备方法，包括以下步骤：在反应器中，加入吸水树脂、二氧化硅、磷酸钙和氧化钙，干燥、研磨、过筛至粒径为0.3-0.5mm后，加入微生物淀粉微球混合均匀，制得所述混凝土微生物自修复材料。

19、进一步地，按总质量分数为100％计，所述各组分的质量百分含量为：

20、

21、本发明通过微生物淀粉微球与无机材料二氧化硅、氧化钙和磷酸钙以及有机材料吸水树脂进行复合，基于改性淀粉的吸附性能以及接枝的硅烯磷酯结构，可以起到一定的偶联效果，使自修复材料可以形成稳定地复合结构，进而有效发挥出自修复能力。

22、有益效果：

23、(1)本发明提供的混凝土微生物自修复材料，通过将微生物成分与改性淀粉交联制得微生物淀粉微球后复合吸水树脂、二氧化硅、氧化钙和磷酸钙制得，其中的微生物淀粉微球不但可以包覆微生物成分提高其在混凝土中的相容性和稳定性，并且可以提高自修复材料的耐高温能力和抗渗能力，使混凝土微生物自修复材料可以持久、稳定地在混凝土中发挥修复作用，提高混凝土材料使用寿命。

24、(2)本发明提供的混凝土微生物自修复材料，通过将微生物成分与改性淀粉进行交联，使微生物成分包裹在淀粉微球内部，当混凝土出现裂缝导致空气中水分进入时，吸水树脂吸附裂缝中出现的水分膨胀后，会致使淀粉微球快速破裂，进而释放其中包覆的微生物成分，进而利用微生物成分沉积碳酸钙以实现填充修复裂缝的效果。

25、(3)本发明提供的混凝土微生物自修复材料，通过将微生物成分与改性淀粉进行交联，使微生物成分包裹在淀粉微球内部，不但可以保护微生物成分不受酸碱性物质的影响失活，同时可以提高自修复材料的稳定性以及与混凝土材料之间的相容性，使其可以长久、有效地发挥出自修复效果。

26、(4)本发明提供的混凝土微生物自修复材料，通过硅烯磷酯中的不饱和键成功与淀粉进行接枝改性，一方面，其磷脂结构可以提高淀粉微球与微生物成分之间的相容性以及稳定性，使微生物成分不易失活；另一方面，其硅烷结构可以提高淀粉微球在自修复材料以及混凝土中的相容性和稳定性，并且可以增强淀粉微球的耐高温能力和抗渗能力，使其可以稳定适用于复杂环境。

27、(5)本发明提供的混凝土微生物自修复材料，通过微生物淀粉微球与无机材料二氧化硅、氧化钙和磷酸钙以及有机材料吸水树脂进行复合，基于改性淀粉的吸附性能以及接枝的硅烯磷酯结构，可以起到一定的偶联效果，使自修复材料可以形成稳定地复合结构，进而有效发挥出自修复能力。