水泥基材料中生物矿化与传输的交互作用及其对梯度特性的影响

Cement-based materials will still be main structural materials for building and infrastructures.Not only severe environment (like marine and western area) possesses high requirements for durability, energy-saving and nature life style also requires more artistic concrete. Therefore, it is future trend to combine high durability and high appearance together.In this project, it is proposed to densify suface layer from millimeter to centimeter using bio-mineralization, and then to improve durability. At same time, biomineralization transfers alkaline substances to minerals and reduces their transportation to surface, to further modify appearance. To achieve above aim, we should explore the interaction mechanism between bio-mineralization and transport during the formation of gradient microstructure, to predict quantitatively the evolution of gradient microstructure coupling bio-mineralization and cement hydration. The feasibility has been roughly proved through previous experiments.

水泥基材料在未来相当长时期仍将是建筑和土木工程最主要的结构材料。在进一步提高耐久性以满足海洋和西部等严酷环境使用要求的同时，节能降耗、回归自然等新理念对清水、艺术混凝土的需求也不断增长，因此集高耐久性与优良外观美学性能于一体的“结构-功能一体化”水泥基材料将是未来发展的重要方向。本项目创新性提出运用微生物矿化技术，在混凝土表层毫米至厘米厚度范围的孔隙中形成矿化产物，获得高致密结构，提高耐久性。同时，将严重影响外观性能的、一直未能彻底解决的泛碱顽疾，通过微生物矿化将泛碱物质转化为难溶矿物且致密表层结构阻止其迁移，大幅降低泛碱程度和概率。其中，微生物矿化与传输的交互作用机理和耦合微生物矿化的水泥基材料微观结构演化的定量预测，是调控矿化层厚度和程度、制备上述梯度功能性材料的关键科学问题和技术基础。课题组具备生物矿化和水泥基材料科学双方面的良好研究基础，并通过前期试验验证了可行性。

基于微生物矿化技术调控水泥基材料的表层功能性梯度特性，是一种优化水泥基材料表层结构的全新技术，在抑制表层泛碱、增强表层强度等领域具有广阔应用前景。本项目选用具有矿化作用的微生物，吸收空气中CO2矿化，填充水泥基材料孔隙，调控表层微观结构。研究了微生物矿化作用对表层水化产物及孔结构的影响，确定了微生物的最佳掺量；明确了微生物的最佳矿化条件；阐明了微生物矿化过程，提出了微生物矿化速率方程；明确了微生物矿化方程与C3S水化过程的相互影响，建立了水泥基材料中水化-矿化耦合模型；研究了微生物矿化对耐久性的影响，得出了微生物对水泥基材料表层强度的增强机理；将微生物矿化调控水泥基材料表层梯度特性技术应用于实例，进一步验证了该技术抗泛碱应用的可行性。结合研究结果，发表SCI和EI收录论文15篇，申请发明专利9件，培养博士、硕士研究生6名。