KJ01菌種增強膨脹珍珠巖保溫板制備參數優化實驗

任媛，楊波

(1.重慶大學 土木工程學院，重慶 400030；2.山西職業技術學院 建筑工程系，山西 太原 030006)

隨著保溫技術的發展，一些具備更優保溫性能的板材獲得了大量開發[1-4]，例如，可以利用微生物KJ01礦化沉積與KJ01發泡處理技術制備微生物保溫板，由此實現優異保溫效果[5-6]。制備保溫板時，可以通過加入適量微生物KJ01與實現礦化沉積的營養組分，加快微生物礦化速率，對膨脹珍珠巖顆粒空隙填充，由此制備更高強度的保溫板，并減小吸水率；為保溫板加入一定含量有機物，此外為獲得更低導熱率，在保溫板內加工了部分獨立孔洞[7-11]。

本文從宏觀層面探討了保溫板強度、熱導率、吸水率與KJ01摻入量的關系，從微觀結構層面分析了對微生物增強膨脹珍珠巖性能造成影響的作用機制。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

膨脹珍珠巖，取自重慶市綦江區，各項參數見 表1；微生物KJ01(編號CGMCCNo.15516)；苯丙乳液(固含量48%)，工業級；尿素、硝酸鈣均為分析純；葡萄糖，食用級；9 mm直徑的玻璃纖維；自來水。

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

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

1.2 膨脹珍珠巖保溫板的制備

1.2.1 實驗原理 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入材料組織中，生成大量細小獨立氣泡，使保溫板內產生微洞結構，由此獲得更低的熱導率參數，實現保溫性能的顯著提升。具體工作原理見圖1。

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

1.2.2 膨脹珍珠巖保溫板的制備 實驗以尿素、硝酸鈣、葡萄糖共同組成營養成分，采用苯丙乳液作為憎水劑。

對各成分攪拌混合后，再把營養成分添加到菌液內，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完成壓制過程，經過5 min保壓之后，再對保溫板實施養護，確保微生物可以完成礦化沉積過程，制得隔熱效果更優的保溫板。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(以下簡稱保溫板)，見圖2。圖3為壓縮后的保溫板試件及內部。

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

圖3 保溫板表面和內部照片Fig.3 Photos of the surface and interior of insulation board

2 結果與討論

2.1 菌液濃度對保溫板性能的影響

將菌液OD600依次設定在0，0.6，1.0，1.5，150 mL，經過12 h養護處理，結果見表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，當菌液達到較高的OD600值時，可以顯著促進碳酸鈣晶體方式礦化沉積的過程，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，試樣保持穩定導熱系數。當在保溫板內加入OD600值較高的菌液后，發現保溫板中形成了在各區域均勻分布的微生物群，在基體內形成了碳酸鈣晶體以及大量膠結劑產物，此時保溫板容重發生了顯著提高，抗壓強度也獲得明顯提升。有部分產物擴展到珍珠巖顆粒間隙孔洞內，可以起到一定的改性效果，獲得更小的吸水率。本實驗進行微生物培養時，可以控制菌液OD600介于0～1.5之間，考慮到培養OD600為1.5的菌液需要投入很高的成本，因此結合本實驗測試結果，將菌液OD600設定在1.0為最佳值。

2.2 菌液摻入量對保溫板性能的影響

控制菌液OD600為1.5，經過12 h養護處理，測定結果見表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度。改變微生物加入量后，試樣依然保持穩定的導熱系數，都在0.039 5附近，同時試樣吸水率也發生了緩慢減小的變化規律，由最初7.15%減小為6.17%，變化幅度超過10%。

制備保溫板期間，當加入微生物菌液后，可以顯著提高保溫板容重與抗壓強度，使保溫板獲得更小的吸水率，由此形成生物膠結劑-碳酸鈣晶體，確保膨脹珍珠巖顆粒形成緊密黏結的效果，顯著提升保溫板結構強度。

2.3 養護溫度的影響

控制菌液OD600為1.0，每次使用150 mL菌液，利用標準養護箱持續養護24 h，結果見表4。

表4 保溫板性能隨養護溫度變化Table 4 Thermal insulation board performance changes with the curing temperature

由表4可知，以不同溫度對KJ01菌種增強保溫板進行養護后，容重、抗壓強度與吸水率都發生了下降，導熱系數則保持基本穩定。逐漸提高養護溫度時，發生了容重與抗壓強度的先提高后下降趨勢，其中，在30 ℃養護溫度下，試樣獲得了164 kg/m3與 0.65 MPa 的最高容重與抗壓強度。

2.4 養護時間的影響

表5給出了不同養護時間的測試結果，都在標準養護箱中進行測試，菌液OD600為1.0，配制體積為150 mL的菌液。

由表5可知，延長養護時間后，保溫板容重與抗壓強度發生了先提高再進入一個穩定狀態的變化趨勢，同時吸水率發生了減小，導熱系數保持基本穩定。對保溫板進行24 h養護后，微生物在保溫板內發生礦化沉積形成了大量晶體產物。經過36 h礦化沉積之后，達到了一個基本穩定的晶體質量，因此微生物可以持續對尿素發揮分解作用，經過礦化沉積后形成晶體。由于微生物在珍珠巖保溫板內難以與尿素和鈣離子發生接觸，從而縮短了礦化沉積穩定時間。

表5 保溫板性能隨養護時間變化Table 5 Performance of insulation board changes with maintenance time

2.5 KJ01發泡劑的影響

在膨脹珍珠巖攪拌階段加入發泡劑，碳酸氫鈉、葡萄糖、碳酸氫氨摻入量都為膨脹珍珠巖質量1%，制備試件時，以相同容重經過24 h養護處理，結果見表6。

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

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

3 結論

(1)當菌液達到較高的OD600值時可以顯著促進碳酸鈣晶體方式礦化沉積的過程，將菌液OD600設定在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度，吸水率也發生了緩慢減小。

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

(4)延長養護時間后，保溫板容重與抗壓強度發生了先提高再進入一個穩定狀態的變化趨勢，吸水率發生了減小，導熱系數保持基本穩定。

(5)經過發泡后，達到了更小的保溫板導熱系數和抗壓強度，吸水率也保持相對穩定。