KJ01菌種增強(qiáng)膨脹珍珠巖保溫板制備參數(shù)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

任媛，楊波

(1.重慶大學(xué) 土木工程學(xué)院，重慶 400030；2.山西職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，山西 太原 030006)

隨著保溫技術(shù)的發(fā)展，一些具備更優(yōu)保溫性能的板材獲得了大量開(kāi)發(fā)[1-4]，例如，可以利用微生物KJ01礦化沉積與KJ01發(fā)泡處理技術(shù)制備微生物保溫板，由此實(shí)現(xiàn)優(yōu)異保溫效果[5-6]。制備保溫板時(shí)，可以通過(guò)加入適量微生物KJ01與實(shí)現(xiàn)礦化沉積的營(yíng)養(yǎng)組分，加快微生物礦化速率，對(duì)膨脹珍珠巖顆?？障短畛?，由此制備更高強(qiáng)度的保溫板，并減小吸水率；為保溫板加入一定含量有機(jī)物，此外為獲得更低導(dǎo)熱率，在保溫板內(nèi)加工了部分獨(dú)立孔洞[7-11]。

本文從宏觀層面探討了保溫板強(qiáng)度、熱導(dǎo)率、吸水率與KJ01摻入量的關(guān)系，從微觀結(jié)構(gòu)層面分析了對(duì)微生物增強(qiáng)膨脹珍珠巖性能造成影響的作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

膨脹珍珠巖，取自重慶市綦江區(qū)，各項(xiàng)參數(shù)見(jiàn) 表1；微生物KJ01(編號(hào)CGMCCNo.15516)；苯丙乳液(固含量48%)，工業(yè)級(jí)；尿素、硝酸鈣均為分析純；葡萄糖，食用級(jí)；9 mm直徑的玻璃纖維；自來(lái)水。

表1 膨脹珍珠巖主參數(shù)Table 1 Main parameters of expanded perlite

SW-CJ-1G型超凈工作臺(tái)；BKQP-50L型蒸汽滅菌器；FE28型pH計(jì)；DW-86W100型低溫冰箱；JY3003型電子天平；DQHZ-2001型振蕩培養(yǎng)箱；721型分光光度計(jì)；TD5Z型離心機(jī)。

1.2 膨脹珍珠巖保溫板的制備

1.2.1 實(shí)驗(yàn)原理 葡萄糖被KJ01菌群快速分解，并生成CO2[12-14]。

微生物KJ01+葡萄糖→CO2↑

(1)

CO2分子在材料成型階段進(jìn)入材料組織中，生成大量細(xì)小獨(dú)立氣泡，使保溫板內(nèi)產(chǎn)生微洞結(jié)構(gòu)，由此獲得更低的熱導(dǎo)率參數(shù)，實(shí)現(xiàn)保溫性能的顯著提升。具體工作原理見(jiàn)圖1。

圖1 保溫板發(fā)泡原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of foaming principle of insulation board

1.2.2 膨脹珍珠巖保溫板的制備 實(shí)驗(yàn)以尿素、硝酸鈣、葡萄糖共同組成營(yíng)養(yǎng)成分，采用苯丙乳液作為憎水劑。

對(duì)各成分?jǐn)嚢杌旌虾?，再把營(yíng)養(yǎng)成分添加到菌液內(nèi)，控制各成分加入含量如下：硝酸鈣0.7 mol/L，尿素1.0 mol/L，持續(xù)攪拌10 min。混合料利用模具并控制壓縮比為1.6完成壓制過(guò)程，經(jīng)過(guò)5 min保壓之后，再對(duì)保溫板實(shí)施養(yǎng)護(hù)，確保微生物可以完成礦化沉積過(guò)程，制得隔熱效果更優(yōu)的保溫板。再利用干燥箱把保溫板升溫到110 ℃充分烘干，制得膨脹珍珠巖保溫板(以下簡(jiǎn)稱保溫板)，見(jiàn)圖2。圖3為壓縮后的保溫板試件及內(nèi)部。

圖2 保溫板制備流程圖Fig.2 Preparation flow chart of insulation board

圖3 保溫板表面和內(nèi)部照片F(xiàn)ig.3 Photos of the surface and interior of insulation board

2 結(jié)果與討論

2.1 菌液濃度對(duì)保溫板性能的影響

將菌液OD600依次設(shè)定在0，0.6，1.0，1.5，150 mL，經(jīng)過(guò)12 h養(yǎng)護(hù)處理，結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 保溫板性能隨菌液濃度變化Table 2 Performance of insulation board changes with the concentration of bacteria

由表2可知，當(dāng)菌液達(dá)到較高的OD600值時(shí)，可以顯著促進(jìn)碳酸鈣晶體方式礦化沉積的過(guò)程，隨著OD600值的提高，試樣獲得了更大容重與抗壓能力，并引起吸水率的減小，試樣保持穩(wěn)定導(dǎo)熱系數(shù)。當(dāng)在保溫板內(nèi)加入OD600值較高的菌液后，發(fā)現(xiàn)保溫板中形成了在各區(qū)域均勻分布的微生物群，在基體內(nèi)形成了碳酸鈣晶體以及大量膠結(jié)劑產(chǎn)物，此時(shí)保溫板容重發(fā)生了顯著提高，抗壓強(qiáng)度也獲得明顯提升。有部分產(chǎn)物擴(kuò)展到珍珠巖顆粒間隙孔洞內(nèi)，可以起到一定的改性效果，獲得更小的吸水率。本實(shí)驗(yàn)進(jìn)行微生物培養(yǎng)時(shí)，可以控制菌液OD600介于0～1.5之間，考慮到培養(yǎng)OD600為1.5的菌液需要投入很高的成本，因此結(jié)合本實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果，將菌液OD600設(shè)定在1.0為最佳值。

2.2 菌液摻入量對(duì)保溫板性能的影響

控制菌液OD600為1.5，經(jīng)過(guò)12 h養(yǎng)護(hù)處理，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3。

表3 保溫板性能隨KJ01摻量變化Table 3 Thermal insulation board performanc changes with the dosage of KJ01

由表3可知，逐漸提高KJ01摻入量后，試樣獲得了更大的容重與抗壓強(qiáng)度。改變微生物加入量后，試樣依然保持穩(wěn)定的導(dǎo)熱系數(shù)，都在0.039 5附近，同時(shí)試樣吸水率也發(fā)生了緩慢減小的變化規(guī)律，由最初7.15%減小為6.17%，變化幅度超過(guò)10%。

制備保溫板期間，當(dāng)加入微生物菌液后，可以顯著提高保溫板容重與抗壓強(qiáng)度，使保溫板獲得更小的吸水率，由此形成生物膠結(jié)劑-碳酸鈣晶體，確保膨脹珍珠巖顆粒形成緊密黏結(jié)的效果，顯著提升保溫板結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。

2.3 養(yǎng)護(hù)溫度的影響

控制菌液OD600為1.0，每次使用150 mL菌液，利用標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱持續(xù)養(yǎng)護(hù)24 h，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 保溫板性能隨養(yǎng)護(hù)溫度變化Table 4 Thermal insulation board performance changes with the curing temperature

由表4可知，以不同溫度對(duì)KJ01菌種增強(qiáng)保溫板進(jìn)行養(yǎng)護(hù)后，容重、抗壓強(qiáng)度與吸水率都發(fā)生了下降，導(dǎo)熱系數(shù)則保持基本穩(wěn)定。逐漸提高養(yǎng)護(hù)溫度時(shí)，發(fā)生了容重與抗壓強(qiáng)度的先提高后下降趨勢(shì)，其中，在30 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，試樣獲得了164 kg/m3與 0.65 MPa 的最高容重與抗壓強(qiáng)度。

2.4 養(yǎng)護(hù)時(shí)間的影響

表5給出了不同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果，都在標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)箱中進(jìn)行測(cè)試，菌液OD600為1.0，配制體積為150 mL的菌液。

由表5可知，延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，保溫板容重與抗壓強(qiáng)度發(fā)生了先提高再進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢(shì)，同時(shí)吸水率發(fā)生了減小，導(dǎo)熱系數(shù)保持基本穩(wěn)定。對(duì)保溫板進(jìn)行24 h養(yǎng)護(hù)后，微生物在保溫板內(nèi)發(fā)生礦化沉積形成了大量晶體產(chǎn)物。經(jīng)過(guò)36 h礦化沉積之后，達(dá)到了一個(gè)基本穩(wěn)定的晶體質(zhì)量，因此微生物可以持續(xù)對(duì)尿素發(fā)揮分解作用，經(jīng)過(guò)礦化沉積后形成晶體。由于微生物在珍珠巖保溫板內(nèi)難以與尿素和鈣離子發(fā)生接觸，從而縮短了礦化沉積穩(wěn)定時(shí)間。

表5 保溫板性能隨養(yǎng)護(hù)時(shí)間變化Table 5 Performance of insulation board changes with maintenance time

2.5 KJ01發(fā)泡劑的影響

在膨脹珍珠巖攪拌階段加入發(fā)泡劑，碳酸氫鈉、葡萄糖、碳酸氫氨摻入量都為膨脹珍珠巖質(zhì)量1%，制備試件時(shí)，以相同容重經(jīng)過(guò)24 h養(yǎng)護(hù)處理，結(jié)果見(jiàn)表6。

表6 保溫板性能隨發(fā)泡變化Table 6 Thermal insulation board performance changes with foaming

由表6可知，發(fā)泡處理后，保溫板達(dá)到了更低導(dǎo)熱系數(shù)，其中，采用KJ01發(fā)泡處理方式獲得的導(dǎo)熱系數(shù)為0.031 9，與發(fā)泡處理前的導(dǎo)熱系數(shù)0.039 6相比，發(fā)生了小幅下降，加入碳酸氫鈉與碳酸氫氨兩種成分進(jìn)行發(fā)泡后，導(dǎo)熱系數(shù)同樣發(fā)生了減小，但變化幅度低于KJ01發(fā)泡處理方式。由此可知，為獲得更小導(dǎo)熱系數(shù)，并提升保溫材料保溫效果，采用KJ01發(fā)泡方法可以達(dá)到更理想的狀態(tài)；加入發(fā)泡劑的條件下，試件達(dá)到了更小的抗壓強(qiáng)度變化幅度，只引起抗壓強(qiáng)度的小幅變化，同時(shí)吸水率也保持相對(duì)穩(wěn)定。

3 結(jié)論

(1)當(dāng)菌液達(dá)到較高的OD600值時(shí)可以顯著促進(jìn)碳酸鈣晶體方式礦化沉積的過(guò)程，將菌液OD600設(shè)定在1.0作為最佳值。

(2)逐漸提高KJ01摻入量后，試樣獲得了更大的容重與抗壓強(qiáng)度，吸水率也發(fā)生了緩慢減小。

(3)隨著養(yǎng)護(hù)溫度逐漸提高時(shí)，容重與抗壓強(qiáng)度先提高后下降，在30 ℃養(yǎng)護(hù)溫度下，試樣獲得了164 kg/m3與0.65 MPa的最高容重與抗壓強(qiáng)度。

(4)延長(zhǎng)養(yǎng)護(hù)時(shí)間后，保溫板容重與抗壓強(qiáng)度發(fā)生了先提高再進(jìn)入一個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)的變化趨勢(shì)，吸水率發(fā)生了減小，導(dǎo)熱系數(shù)保持基本穩(wěn)定。

(5)經(jīng)過(guò)發(fā)泡后，達(dá)到了更小的保溫板導(dǎo)熱系數(shù)和抗壓強(qiáng)度，吸水率也保持相對(duì)穩(wěn)定。