面向绿色建筑和智能制造的结构-功能一体化水泥基复合材料

Cement-based material will still be the most important structural material of civil engineering at present and during a long time of future. But requirement of performances and functions for cement-based material increases due to the policy of new urbanization, building industrialization, intelligent manufacture, green building and environment protection in China. For example, the problems of cracks in cement-based material seriously influence the maintenance of stability and durability in building structure and spoil the basic functions of waterproof and thermal insulation; efflorescence and environmental pollutant affect the decoration of building; thermal properties of traditional cement-based material cannot meet the high demand of energy conservation in building, etc. This research aims at these problems and develops a new type of cement-based composites which integrate multi-functions, intelligent manufacture and structural performance through the researches in cracks self-healing, efflorescence, self-cleaning, heat reflection, heat storage and 3D printing manufacture. This research will reveal the mechanism of synergistic effect between several functions in cement-based matrix and the rheological essence of multi-functional cement-based composites mixture which have excellent performance for 3D printing manufacture. The methods to preparing cement-based composites are put forward based on new technology such as bio-mineralization, nano-material, phase change material and dedicated chemical admixtures. Multi-functions in cement-based material will be achieved by similar constituent and technique which has high economic benefits and efficiency. The suitable mechanical, fire protection properties and durability will be maintained at the same time.

水泥基材料未来很长时间内仍将是最主要的建筑结构材料，而新型城镇化、建筑工业化、智能制造、绿色建筑、环境保护等中国未来发展的重大需求，都对其性能和功能提出了更高的要求。例如，水泥基材料易开裂的特性影响了建筑维护结构整体性、耐久性和基本的防水、保温等功能，自身泛碱和外界环境污染影响了建筑装饰美学，传统水泥基材料的热学性能满足不了建筑节能的高要求等等。本项目将对上述问题开展针对性研究，从裂缝自修复、抗泛碱、自清洁、热反射、热存储和3D打印性等方面，研制集功能性、制造性能和结构性能于一体的新一代水泥基复合材料。揭示上述两项或多项功能在水泥基材料同一载体上的协同作用机理及多功能水泥基复合材料拌合物具有优良3D打印性能的流变学本质，研究提出基于微生物矿化、纳米材料、相变材料和专用外加剂等新技术的复合材料制备方法，并通过功能的同质化实现良好的技术经济性。同时，具有适用的力学性能、防火性能和耐久性。

目前建筑围护结构水泥基复合材料普遍存在易泛碱、易粘污、易开裂、保温隔热性能差以及装饰层剥落等安全隐患问题。为实现绿色使用，本项目研发了结构—功能一体化、结构性与功能性同寿命的高耐久水泥基复合材料，并结合3D打印智能制造技术。项目系统性地揭示了裂缝和孔隙中的微生物特性及其矿化修复机理，在国际上率先提出碳酸酐酶微生物催化CO2混凝土裂缝捕碳矿化修复路线，研制了系列微生物修复剂组分配方；在理论上构建了毫米级核壳结构、用于不同强度等级混凝土载体设计方法，解决了固载型修复剂装载、保护、释放及与基体匹配的复杂问题。在装饰水泥基材料方面，研发了高鲁棒性清水混凝土制备技术与新型抗内外源污染技术，阐明了水泥基材料色差和气孔产生机理，明确了满足清水混凝土制备要求的关键参数及技术指标；构建了泛碱量化预测模型和微生物矿化-水泥水化耦合动力学模型，研发了微生物抗泛碱剂和疏水改性剂，并从理论分析出发提出润湿性转变的协同措施。为实现光催化自清洁功能，建立了水泥基材料中光传输模型，研发了固载型光催化剂，避免光催化剂团聚和被浆体遮蔽，有效提高了光催化效果。针对建筑节能，建立了相变墙体多尺寸传热量化模型，研发了相变自保温水泥基材料和光反射-热阻隔水泥基材料，出了夏热冬冷地区应用技术。最后，揭示了水泥基材料3D 打印性能的材料学本质，提出了3D可打印窗口参数以及可挤出性、可建造性的技术指标和评价方法。改进了打印喷口，研发了流变调控专用外加剂，利用纳米粘土和流变调控剂对水泥浆体絮凝及结构化过程的协同调控，提升了3D打印水泥基材料层间粘结性能，并探究了功能性水泥基材料3D打印性能的可行性。本项目历经5年的研究，共发表学术论文62篇，其中SCI收录49篇，EI收录10篇，申请/授权发明专利36件，申请软件著作权1项，出版专著1部，制定标准4部，获得省部级科学技术奖一等奖一项，成功举办首届材料微生物技术领域国际学术研讨会，培养博士、硕士研究生32名。

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