CN111798929A - 一种微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，包括确定水泥基材料的初始配合比、确定水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度、构建水化‑矿化控制模型，并利用构建的水化‑矿化模型计算物相含量。本发明可快速准确模拟计算初始条件下水泥基材料硬化后的微观结构，从而大大节省成本，还可重复多次优选水泥基材料最佳配合比设计。
Description
技术领域
本发明涉及材料的模拟方法，特别是涉及一种微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法。
背景技术
混凝土是目前用量最大、使用范围最广的建筑材料，但是混凝土修建的大量建筑和结构工程，都会出现不同的损伤；长期的物理、化学及生物的作用，由此而带来的开裂、碳化、冻融破坏、钢筋锈蚀、化学侵蚀等严重影响了混凝土结构物的寿命。目前，混凝土在追求传统强度和耐久性的同时，也朝着美观化、功能化和结构化一体发展。针对混凝土结构破坏和提升外观美学等问题，可通过强化混凝土表层结构来实现。
目前，利用微生物诱导碳酸钙沉淀原理(MICP)应用于土木工程中的研究已经广泛开展，可以达到自修复裂缝、固结土壤和固化重金属等目的。此外，利用MICP技术还可以有效改善混凝土表层性能。申请号为201410610689.X，名称为“一种用于增强水泥基材料抗泛碱性能的方法”的发明公开了将胶质芽孢杆菌芽孢加入水泥基材料中，通过在水泥基材料表面形成梯度结构而抑制表面的泛碱。通过将胶质芽孢杆菌加入到混凝土中，可改善或增强水泥基材料的耐久性能。但此调控过程需要多次实验，既花费大量人力物力，也消耗大量时间。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，能够快速、准确地模拟微生物矿化水泥基材料微观结构。
技术方案：为实现上述目的，本发明中的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，包括如下步骤：
(1)确定水泥基材料的初始配合比；其中，初始配合比包括水灰比、胶凝材料用量、微生物掺量和CO2养护条件。
(2)确定水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度；
(3)确定微生物在水泥基材料中的矿化速率、水泥基材料内部CO2浓度分布、孔结构变化，并引入微生物矿化对水化速率和水化程度的影响，从而构建水化-矿化控制模型；
(4)利用构建的水化-矿化模型计算物相含量。
目前微生物在水泥基材料中的矿化模型还鲜有研究，关于微生物自身的矿化机理描述和对水化的影响都未有报道。本发明通过计算机结合计算方法，可快速准确知道初始条件下水泥基材料硬化后的微观结构，从而大大节省成本，还可重复多次优选水泥基材料最佳配合比设计。
上述步骤(2)中，以胶凝材料中矿化相的组成确定水化速率常数和水泥颗粒相边界控制到扩散控制的水化产物临界厚度；需确定胶凝材料中矿物相硅酸二钙和硅酸三钙的含量。步骤(3)中，通过微生物掺量确定微生物在水泥基材料中的矿化速率，外界环境中CO2浓度确定水泥基材料内部CO2浓度分布；外界CO2浓度为已脱模水泥基硬化体养护时的环境中CO2分压。
优选地，所述步骤(2)中水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度为：
K0＝0.02+6.6×10-4×[C3S％]2；
δtr＝-0.02×[C2S％]+4；
其中，K0为水化速率常数，δtr为水泥颗粒水化临界厚度，C3S％为水泥中C3S的质量百分比，C2S％为水泥中C2S的质量百分比。
优选地，所述步骤(3)中，微生物在水泥基材料中的矿化速率为：
其中，v0为微生物矿化速率，[X]1为溶液中可溶基本单体浓度，Amicrobial为微生物有机体的表面积，S为过饱和度，K1、K2为常数；K1为指前因子，K2为只与该反应有关量；指前因子K1为阿伦尼乌斯公式中常数，只与反应本性有关；K2为只与该反应有关量的常数，可通过试验确定。优选地，K1取1.87，K2取0.892。
优选地，所述步骤(3)中，水泥基材料内部CO2浓度分布为
其中，
为CO2浓度，x为水泥基材料硬化浆体距上表面的深度，t为反应龄期，Dg(x，t)为CO2在水泥基材料中随位置和时间变化的扩散系数，
为溶解态CO2与气态CO2间的平衡系数；优选地，
可取0.95。
孔结构变化可表示为：
其中，δ为矿化产物在孔中厚度(mm)，R0为初始孔半径(mm)，
为孔隙率，F0为孔隙初始平均横截面面积；F(x，t)为t时刻x深度处孔隙横截面面积。
所述步骤(3)中，水化-矿化控制模型中，水化-矿化的相互影响中应包括微生物矿化对水化速率和水化程度的影响，优选地，将水化速率影响项附于水化速率常数，可表示为：
K′0＝K0+Δα；
Δα＝(l-x)·[C3S％]；
其中，K′0为微生物矿化影响后的水化速率常数，Δα为对水化速率的影响程度，l为水泥基试件的长度。
进一步地，为了提高计算精度，步骤(2)中胶凝材料中矿物相硅酸三钙的含量不超过70％，硅酸二钙含量不超过25％；当硅酸二钙和硅酸三钙含量不符合实际水泥矿物量时，会使由步骤(2)中计算的水化速率常数和水泥颗粒相边界控制到扩散控制的水化产物临界厚度导致模型计算结果误差较大。
进一步地，步骤(3)中微生物掺量需为胶凝材料用量的百分比质量，微生物掺量不超过胶凝材料用量的1.5％；且掺入的微生物为纯细胞，不能为有载体的菌粉或其他物质，当此掺量过大时，会导致计算结果误差较大。
优选地，步骤(4)中，计算可采用MATLAB软件和COMSOL软件耦合计算，计算的微观结构为水泥基材料硬化体中不同龄期、不同位置处的物相含量。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
(1)采用本发明提供的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，可以获得不同初始配比下的水泥基材料硬化后的物相含量，因此与传统实验方法相比具有明显的优越性：省时省力，可重复计算多种配比下微生物矿化水泥基材料的微观结构，且准确性高。
(2)本发明的计算过程迅速，操作简单，几小时可出计算结果。
(3)本发明可为优选配比提高理论计算模型。
附图说明
图1是本发明的微生物矿化水泥基材料微观结构模拟方法的流程图；
图2是本发明的模拟过程图；
图3是实施例中的微生物矿化水泥基材料龄期为3d时的氢氧化钙含量模拟与计算结果变化图。
图4是实施例中的微生物矿化水泥基材料龄期为3d时的碳酸钙含量模拟与计算结果变化图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作更进一步的说明。
图1是微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法流程图；本发明的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法包括以下步骤：1)确定水泥基材料初始配合比，包括水灰比、胶凝材料用量、微生物掺量和CO2养护条件；2)以胶凝材料中矿化相的组成确定水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度；3)通过微生物掺量确定微生物在水泥基材料中的矿化速率，通过外界CO2浓度确定水泥基材料内部CO2浓度分布，并引入微生物矿化对水化速率和水化程度的影响，从而构建水化-矿化控制模型；4)构建的水化-矿化模型计算物相含量。
本实施例以MATLAB和COMSOL软件为例，利用模型进行模拟计算水化-矿化过程中物相含量变化，其模拟过程可见图2。
具体模拟过程包括如下步骤：
(1)确定所用水泥基材料水灰比为0.5，胶凝材料用量为50g，微生物掺量为胶凝材料用量1％即0.5g，CO2养护条件为0.016mol/L；
(2)胶凝材料中硅酸三钙含量为65％，硅酸二钙含量为20％，通过式确定水化速率常数为：
K0＝0.02+6.6×10-4×[C3S％]2＝0.0204
δtr＝-0.02×[C2S％]+4＝3.996
(3)通过水化控制方程、CO2扩散控制方程以及微生物成核速率方程计算其中矿物含量的变化；
K′0＝K0+Δα；
Δα＝(l-x)·[C3S％]；
ωCH＝α(t)ωCH(∞)；
其中，K′0为微生物矿化影响后的水化速率常数，Δα为对水化速率的影响程度，l为水泥基试件的长度，α(t)为不同龄期水化程度，ωCH为氢氧化钙含量；
为碳酸钙含量，
为水泥基材料浆体中CO2浓度(mol/L)，Dg为CO2在水泥基材料中的扩散系数(m2/s)，t为时间(s)，δ为矿化产物在孔中厚度(mm)，R0为初始孔半径(mm)，
为孔隙率，F0为孔隙初始平均横截面面积；F(x，t)为t时刻x深度处孔隙横截面面积，v0为微生物矿化速率，[X]1为溶液中可溶基本单体浓度，Amicrobial为微生物有机体的表面积，S为过饱和度，K1为指前因子，K2为只与该反应有关量常数。
(4)分析计算结果
如图2、3所示，图2是微生物矿化水泥基材料龄期为3d时的氢氧化钙含量模拟与计算结果变化图，图3是微生物矿化水泥基材料龄期为3d时的碳酸钙含量模拟与计算结果变化图。
由图2可知，氢氧化钙含量与深度有关，同一微生物掺量下，深度越大，氢氧化钙含量越多，当深度为0-4mm时，微生物掺量越大，氢氧化钙含量越多，当深度为4-9mm时，掺量为1％时氢氧化钙含量最大；由图3可知，矿化产物碳酸钙的含量与深度有关，深度越大，含量越小；在同一深度处，微生物掺量越大，碳酸钙含量越大。
Claims (10)
1.一种微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于包括如下步骤：
(1)确定水泥基材料的初始配合比；
(2)确定水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度；
(3)确定微生物在水泥基材料中的矿化速率、水泥基材料内部CO2浓度分布、孔结构变化，并引入微生物矿化对水化速率和水化程度的影响，从而构建水化-矿化控制模型；
(4)利用构建的水化-矿化模型计算物相含量。
2.根据权利要求1所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于：所述步骤(1)的初始配合比包括水灰比、胶凝材料用量、微生物掺量和CO2养护条件。
3.根据权利要求1所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于：所述步骤(2)中水化速率常数和水泥颗粒水化临界厚度：
K0＝0.02+6.6×10-4×[C3S％]2；
δtr＝-0.02×[C2S％]+4；
其中，K0为水化速率常数，δtr为水泥颗粒水化临界厚度，C3S％为水泥中C3S的质量百分比，C2S％为水泥中C2S的质量百分比。
4.根据权利要求1所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于所述步骤(3)中，微生物在水泥基材料中的矿化速率为：
其中，v0为微生物矿化速率，[X]1为溶液中可溶基本单体浓度，Amicrobial为微生物有机体的表面积，S为过饱和度，K1、K2为常数。
5.根据权利要求1所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于所述步骤(3)中，水泥基材料内部CO2浓度分布为：
其中，
为CO2浓度，x为水泥基材料硬化浆体距上表面的深度，t为反应龄期，Dg(x，t)为CO2在水泥基材料中随位置和时间变化的扩散系数，
为溶解态CO2与气态CO2间的平衡系数。
6.根据权利要求l所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于所述步骤(3)中，孔结构变化为：
其中，δ为矿化产物在孔中厚度，R0为初始孔半径，
为孔隙率，F0为孔隙初始平均横截面面积；F(x，t)为t时刻x深度处孔隙横截面面积。
7.根据权利要求l所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于所述步骤(3)中，微生物矿化对水化速率和水化程度的影响为：
K′0＝K0+Δα；
Δα＝(l-x)·[C3S％]；
其中，K′0为微生物矿化影响后的水化速率常数，Δα为对水化速率的影响程度，l为水泥基试件的长度。
8.根据权利要求2所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于：胶凝材料中矿物相硅酸三钙的质量百分比≤70％，硅酸二钙质量百分比≤25％。
9.根据权利要求2所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于：微生物掺量不超过胶凝材料质量的1.5％。
10.根据权利要求1所述的微生物矿化水泥基材料微观结构的模拟方法，其特征在于步骤(4)中，采用MATLAB软件和COMSOL软件耦合计算，计算的微观结构为水泥基材料硬化浆体中不同位置处的物相含量。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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