水泥基材料中微生物诱导碳酸钙矿化机理研究

MICP是一种新颖的环境友好型生物技术，应用MICP以增强水泥基材料的性能，是一项很有发展前景的全新领域。本项目拟从培育环境、生长空间等角度，研究水泥水化产物和微观结构对微生物生长率的影响规律，优化MICP改性水泥基材料的配合比设计方法，通过模拟水泥基材料的内部孔隙环境，结合微观测试技术，提出微生物在水泥基材料中的代谢原理模型；通过调整材料组成、培育环境、空间分布等因素，为微生物提供一个富氧、宽敞、碱度适宜的生长环境，促进微生物诱导碳酸钙沉淀的形成率，探明水泥基材料中MICP的矿化机理及其改性机制。本项目为MICP技术在水泥基材料领域的应用和发展做了探索性的基础研究工作，这对于推动学科的交叉发展，全面提高水泥基材料性能和混凝土结构工程的耐久性具有重要的理论意义和应用价值。

微生物诱导碳酸盐沉积（MICP）是微生物在新陈代谢过程中矿化诱导形成碳酸盐，是一种新颖、绿色的生物修复技术。将MICP应用到水泥基材料，在理论上是可行的，但需要克服高碱缺氧环境、结构空间限制等问题。本项目研究了培育环境、材料组成等因素对微生物生长代谢及矿化过程的影响，分析了微生物在水泥基材料中的代谢原理模型，建立了MICP的矿化机制。研究成果对于促进MICP技术在水泥基材料领域的应用和发展，具有重要的理论和应用价值。本文主要的研究内容如下：.（1）试验研究了材料组成对水泥基材料孔液碱度、孔结构及微生物代谢矿化过程的影响。结果表明，与普通硅酸盐水泥相比，微生物与低碱性的硫铝酸盐水泥基体间的适应性更好，强度增幅更大。矿物掺合料的掺入降低了水泥浆体的孔液碱度，促进了微生物在水泥基材料中的矿化，提高了试件强度，降低了吸水率。引气剂的掺入增加了材料孔隙率，促进了微生物的生长代谢和矿化过程，提高了水泥试件的强度增长率。.（2）试验研究了培养基种类及浓度、环境温度、pH值及包覆措施等培育环境因素对微生物矿化沉积的影响。结果表明，随尿素浓度的提高，尿素分解量增大；但尿素浓度过大，尿素分解量和OD值下降。随钙盐浓度的提高，OD值和矿化产物量增加，当钙盐浓度为2mmol/L时，微生物的矿化强度最高。醋酸钠、酵母提取物-硫酸铵组合分别是良好的碳源和氮源。镁盐的掺入使形成的矿化沉淀除方解石型碳酸钙外，还有菱镁矿碳酸镁。适当的环境温度、pH值可提高尿素的分解量和碳酸盐浓度。包覆材料保护了微生物的生长代谢过程，与聚亚安酯、硅胶等有机包覆材料相比，硅藻土更具有良好的环保性。.（3）基于微观测试结果，提出了水泥基材料中微生物的代谢原理模型。菌液成分进入水泥基材料的毛细孔隙或裂缝内，包覆载体为微生物提供了良好的生长代谢环境，适宜能量源、水解源及无机盐将促进微生物的生长，并产生尿素酶，催化尿素的水解，矿化形成碳酸盐沉淀。.（4）试验研究了MICP对水泥基材料物理力学性能、耐久性能及孔结构的影响，提出了MICP在水泥基材料中的矿化机理。微生物矿化降低了试件吸水率，提高了质量、强度、抗碳化性、抗渗性和抗冻性，改善了材料孔结构。水泥基材料中微生物的矿化遵循矿物成核作用的物理化学规律，矿化产物更易于沿材料孔隙内的水泥石基面生长结晶，使得微结构更加致密。