[发明专利]具有pH响应性的水凝胶包封细菌芽孢自修复材料及水泥基混凝土自修复方法

说明书

本发明属于土木工程材料与微生物学交叉学科领域，涉及一种具有pH响应性的水凝胶包封细菌芽孢自修复材料及水泥基混凝土自修复方法。该自修复材料包括：具有pH响应性的水凝胶及由其包封的细菌芽孢，以及钙源；其中，所述水凝胶由交联型亲水性高分子制得，所述细菌芽孢包括嗜碱芽孢杆菌(Bacillus pseudofirmus)芽孢。本发明所使用的水凝胶具有pH响应性，在保证水泥强度没有遭受损害的前提下对细菌芽孢进行包封，成功实现了水泥自愈。

技术领域

本发明属于土木工程材料与微生物学交叉学科领域，更具体地，涉及一种具有pH响应性的水凝胶包封细菌芽孢自修复材料，以及一种利用该自修复材料的水泥基混凝土自修复方法。

背景技术

水泥是现代建筑工程中最常使用的材料。在注入自来水之后，水泥浆体可以将石子、砂子等骨料凝固在一起，形成具有良好抗压性的砂浆、混凝土等水泥基材料。但是水泥的生产往往会造成严重的环境污染和能源的损耗，包括二氧化碳及空气颗粒物的排放，以及热能的消耗等。而在自然环境中，混凝土等水泥基材料由于温度变化等因素往往会产生裂缝，导致外界水溶液的渗入，而水溶液的渗入会进一步导致水泥基材料结构的损坏，长此以往便会导致建筑结构的不稳固，减少建筑的使用寿命等，而这本身又加剧了水泥的损耗，所以延长水泥材料材料使用寿命是非常必要的。

现有技术有采用微生物进行水泥自愈的方法。使用微生物进行水泥自愈面临着两个主要难点：一是水泥凝固过程中会产生极大的应力，会对细菌芽孢造成破坏作用，影响到水泥最终的自愈结果；二是为保证细菌芽孢的复苏，需要向其中添加吸水性物质及营养物质以确保细菌正常的生命活动，但这些额外的添料往往会对水泥强度造成影响。考虑到这些因素，研究一种新型的具有pH响应特性的水凝胶材料对细菌芽孢进行包封，在实现水泥自愈的同时保证水泥强度不受影响显得极为紧迫。

发明内容

针对现有技术的不足，综合考虑细菌存活率、水泥强度、以及包封材料的性质等因素，本发明提供一种具有pH响应性的水凝胶包封细菌芽孢自修复材料，该自修复材料所使用的细菌包封材料具有优良的pH响应性，在低pH值下具有高溶胀比，可复苏细菌芽孢，同时在强碱环境中有较低的溶胀比，可降低水凝胶在水化初期的膨胀作用对水泥基材料强度的影响，有助于水泥基材料强度增加。

为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种具有pH响应性的水凝胶包封细菌芽孢自修复材料，该自修复材料包括：具有pH响应性的水凝胶及由其包封的细菌芽孢，以及钙源；其中，所述水凝胶由交联型亲水性高分子制得，所述细菌芽孢包括嗜碱芽孢杆菌(Bacillus pseudofirmus)芽孢。

嗜碱芽孢杆菌(Bacillus pseudofirmus)能在碱性环境中生存，能在极端恶劣环境中形成芽孢，具有较强的抗逆性。当外界条件适宜的时候，细菌芽孢复苏并进行代谢活动，最终导致碳酸钙(CaCO₃)的沉积，对水泥基材料的裂缝产生修复作用。

使用具有pH响应性的水凝胶对嗜碱芽孢杆菌进行包封，可以避免细菌芽孢在水泥水化过程中被压碎。在水泥产生裂缝后，在低pH条件下高溶胀的水凝胶吸收外界水溶液并迅速膨胀，可为细菌芽孢复苏创造良好的条件。水凝胶的组成可以作为营养物质供给细菌代谢，在Wang等人的研究中，使用戊二醛诱导交联反应的发生，使得细菌活性降低，水泥自愈效果减弱，而本发明所使用的材料均具有较好的生物相容性，对细菌没有毒害作用。

水凝胶吸水膨胀的特性往往会对水泥强度造成影响，在Jose Milla等人的研究中，细菌的包封引起了水泥强度的降低，难以实际应用。本发明通过使用单一或复合的亲水性高分子同钙离子进行相互作用，制备出具有强碱条件下低溶胀、中性偏酸条件下高溶胀的pH响应特性的水凝胶材料，从而降低水凝胶在水泥水化过程中的膨胀对水泥基材料强度的影响。