《生态环保微生物矿化胶凝材料和功能性混凝土及其应用》

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环境治理、绿色建筑发展、海绵城市建设、新型城镇化等国家重大战略,仍需要大量土木工程材料,而其制备和服役的生态环保性已成为制约可持续发展的关键瓶颈。对于生态制备,自然界岩石和贝壳形成中的微生物矿化是一绿色过程,具备极大的潜力被借鉴并发展成土木工程材料的生态制备技术,但需解决矿化条件特定和矿化时间漫长的问题;对于生态服役,亟需研发具备环境保护、生态相容的新材料,同时运用材料微生物技术等新技术提升传统结构材料的功能性。

项目历时十余年,在国家自然科学基金、省部计划和企业攻关等课题资助下,攻克了在沙土、水泥基材料、钢渣胶凝材料中的微生物矿化调控理论和关键技术,成功研发出生态性微生物胶凝材料、微生物矿化自修复水泥基材料和结构-装饰功能一体化墙体材料及道路铺装材料。

1、揭示了沙土环境中微生物芽孢萌发、生长繁殖、酶促离子形成、原位成核加速结晶等矿化和氢键作用机理,发明了分别适用于地基生态加固、扬尘和沙漠治理、重金属钝化的碳酸盐、磷酸盐及复合类等生态相容性好的微生物胶凝材料,既攻克了国内外未能解决的氨气释放难题,又利用了大气中的温室气体二氧化碳,降低了成本。

2、提出了“开裂-O2/CO2扩散驱动-微生物萌发矿化-裂缝封闭”的裂缝自修复策略,发明了CO2驱动型微生物自修复水泥基材料的设计和制备方法,通过驯化、孢子转化和固载保护提高了微生物在高碱环境中的耐受能力,提高了对早期裂缝的修复速度和修复效率,实现对宽度不大于0.5mm裂缝的快速、高效自修复,面积修复率高达90%以上,修复后水渗透系数降低95%以上,有效避免了水泥基材料旱期开裂产生的危害。

3、提出了水泥基材料和钢渣胶凝材料体系微生物梯度矿化调控技术和灰度双CT无损表征方法,发明了具有抗泛碱功能的结构-装饰一体化墙体材料及道路铺装材料,解决了水泥基材料的泛碱顽疾,从根本上避免附加装饰层脱落的安全隐患;钢渣的利用效率提高了26%,并解决了钢渣制品的体积稳定性问题。

获授权发明专利27件,出版专著1部,发表论文100余篇;编制产品标准及应用指南8部,培养研究生和技术人员100余人。研究成果已成功应用于江苏、福建、安徽、江西、山东、贵州等省的建筑、市政、水利、交通等工程建设,解决了生态治理、绿色建筑、海绵城市中亟需的生态材料等难题。项目累计新增销售额50616.05万元、利润5770.24万元,因工程耐久性提升、环境修复生态性好、CO2被大量吸收、作物增产等带来的间接经济和社会效益更为显著。项目成果经唐明述院士等专家鉴定总体达到国际领先水平,获2017年度“中国建筑材料联合会•中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖”技术发明一等奖。项目成果创新发展了建筑材料的绿色制备方法和理论体系,为生态环境治理提供了新的、应用前景好的生态性材料,推动了混凝土材料向功能性、结构-功能一体化发展。

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