微生物制造建材的魅力

——访太原理工大学教授、博士生导师李珠

2019-12-05 13:41:18

  深秋11月,遍地黄花。在第31届中国(信阳)珍珠岩产业创新发展国际大会上,太原理工大学教授、博士生导师,山西省委特邀高级专家,全国煤矸石煤基固废综合利用专家委员会副会长,中国建材工业联合会珍珠岩协会副会长,山西省土木建筑学会装配式建筑专业委员会副主任委员,山西省朔州市工业固废综合利用专家顾问委员会委员李珠所作的报告——“微生物制造建材的魅力”,在业内引起极大关注。

  据李珠介绍,几年来,他带领自己的博士生团队,以“在建筑节能领域做出微小创新,就是为全人类作出巨大贡献”为己任,致力于推动我国建筑结构及节能事业的发展,先后提出“城市窑洞”整体式保温隔热建筑节能体系、微生物制造建材等概念。在结构体系方面,先后提出预应力数字化张拉技术、“城市窑洞”整体式保温隔热建筑、保温墙模带缝剪力墙等;在绿色建材方面,研究获得玻化微珠保温砂浆、玻化微珠保温混凝土、再生保温混凝土、气凝胶膨胀珍珠岩及其系列建材、膨胀珍珠岩系列固废建材、微生物与膨胀珍珠岩相融合的自修复混凝土和自修复保温砂浆等微生物修复材料、微生物制造系列建筑材料等。在结构工程、工程力学、建筑节能领域的研究与教学工作中,李珠先后主持国家火炬计划项目1项,国家级及省级项目10余项,横向科研项目10余项。其中,包括主持国家特大建设项目——国家大剧院结构分析、山西省“引黄入晋”工程;培养博士20余名,硕士200余名;发表论文300余篇,SCI、EI检索60余篇;出版专著及教材4部;主编行业标准2部,参编行业标准及地方标准10余部;申请专利40余项;获山西省科技进步二等奖5次;获“全国建筑节能十大突出贡献人物”和山西省“绿色十佳”等荣誉称号。

  让微生物建材遍地开花

  就微生物制造建材的准确定义及与传统建材的区别问题,李珠表示,在自然界存在一类这样的微生物,它们在代谢过程中能够产生具有胶结性能的产物(如微生物矿化沉积产生的碳酸钙就具有一定的胶结性能),微生物制造建材就是利用这类微生物及其产生的具有胶结性能的物质来替代传统水泥等胶凝材料制造建筑材料。

  在李珠看来,微生物制造建材包含的内容非常丰富。根据李珠团队目前研究的结果来看,利用微生物制造的建材具有等同于传统水泥建材制品和烧结建材制品的性能,尤其是在固体废弃物处理和装配式、被动式建筑等领域具有非常显著的优势。利用微生物制造建材可以显著减少甚至避免使用水泥等传统胶凝材料,从而降低建材生产的CO2排放量。传统水泥生产需要开挖矿山、高温煅烧,导致大量能源消耗和污染物排放,因此微生物制造建材是一种绿色环保的建材制造方法,社会效益显著。由于不用传统水泥,利用微生物制造建材便免去了养护时间,直接烘干即可获得需要的强度,显著提高了生产效率,从而可减少工厂投入面积和供货周期,为建材生产企业带来良好的经济效益。

  值得一提的是,李珠团队研发的微生物轻质玻化微珠保温板已于今年11月初在辽宁省辽阳节能保温材料有限公司开展生产线验证工作。这是世界上首次微生物制造建材生产线试验,也是世界范围内首款真正从生产线上走出来的微生物建材制品。微生物轻质玻化微珠保温板也是此次珍珠岩产业创新发展国际大会上,李珠团队力推的多款微生物建材制品之一。

  从2013年提出微生物与膨胀珍珠岩相融合制备自修复混凝土,到微生物制造建材概念的提出,再到现在微生制造建材的研究,李珠团队先后申请或授权了相关发明专利12项,这里面包括核心专利《微生物制造保温建材的方法》及其他相关专利。从类型上来看,这些专利涉及到微生物制造建材、微生物自修复混凝土、微生物有机肥料等几个方面。

  微生物制造建材的魅力之一便是就地取材。这也使得李珠团队目前研发的微生物建材制品形式多样,且涵盖的范围非常广泛。在固体废弃物的资源化利用方面,李珠团队充分利用煤矸石、粉煤灰、建筑垃圾、工程渣土、垃圾焚烧飞灰、钢渣、尾矿等,研发获得微生物煤矸石建材制品、微生物CFB粉煤灰建材制品、微生物飞灰建材制品。这些建材制品从形式上包括了混凝土、砌块、透水砖、隔墙板等。此外,为解决我国当前砂石资源匮乏、开采影响环境等问题,还研发了微生物粉煤灰再生砂石、微生物飞灰再生砂石等材料。

  在建筑节能材料方面,李珠团队主要研发了微生物改性轻质玻化微珠、微生物轻质玻化微珠保温板、微生物自修复保温砂浆、微生物固废隔墙板等;在自修复混凝土方面,致力于解决微生物自修复混凝土深度修复方面的问题,研发出基于微生物的裂缝深宽三维自修复混凝土。此外,在农业领域李珠团队也做了一些尝试,研究获得新型微生物有机肥,用于有机旱作农业,对沙漠绿化、矿山生态修复和土壤改良等具有良好的效果。

  实现就地取材和循环利用

  利用微生物产生的胶结材料可处理各种材料,尤其是固体废弃物,如建筑垃圾、工程渣土、垃圾飞灰、钢渣、尾矿及煤基固体废弃物(包括煤矸石、煤泥、粉煤灰等)。此外,还可以处理难以利用于建材的海砂、沙漠砂、再生骨料等砂石材料,对解决我国砂石资源缺乏具有重要意义。李珠表示,微生物制造建材技术可实现从微生物出发到微生物结束的固体废弃物一体化处理方案。比如,利用微生物发酵处理餐厨垃圾、城市污泥等材料,实现工厂能源自给的同时对产生的固体废物“吃干榨净”,以获得终端产品为微生物固废建材的资源一体化处理。

  谈到我国微生物建材发展现状及微生物制造建材的研究历程,李珠表示,目前我国微生物应用于土木工程方面的研究主要集中于微生物自修复混凝土、微生物固砂、微生物改性增强再生骨料等,东南大学、清华大学、深圳大学及太原理工大学都在这些方面开展了相关研究。李珠团队提出的微生物制造建材技术作为一种全新概念,旨在利用微生物胶结材料替代传统胶凝材料(如水泥、水玻璃等),以此来制造建筑材料。李珠团队不仅重视在原创技术方面的研究,而且在产业化方面也已获得一系列可喜的成果,部分产品已经进入生产线中试验。

  微生物制造建材概念的提出,最早要从2013年说起。2013年李珠首次提出利用膨胀珍珠岩与微生物相融合的技术制备自修复混凝土,充分利用膨胀珍珠岩的多孔载体性能负载微生物,获得具有良好自修复功能的混凝土;2013年~2017年,相继发表了数篇基于膨胀珍珠岩的微生物自修复混凝土的论文;2017年年底,李珠团队发现利用微生物作胶凝材料制备膨胀珍珠岩保温板可获得强度和保温性能优异的微生物保温板,李珠团队便将研究方向转向了微生物制造建材技术方面。

  2018年李珠团队相继筛选了编号为KJ01的微生物菌种用于微生物制造建材技术,并将KJ01保藏于中国普通微生物菌种保藏管理中心,同时申请了首个微生物制造建材技术的发明专利《微生物制造保温建材的方法》。更重要的是,2018年李珠团队研发出首款获得产品检验报告的微生物建材——微生物轻质玻化微珠保温板。之后,李珠团队将微生物制造建材的研究拓展到固废建材的制备与处理领域,相继研发出微生物煤矸石/煤泥建材制品、微生物海砂/沙漠砂建材制品、微生物飞灰建材制品、微生物制造固废砂石等。这些都标志着李珠团队向微生物制造建材领域迈出了关键一步,也距离实现李珠“微生物盖房子”的梦想更近了一步。

  助力绿色节能建筑发展

  谈到微生物建材在被动式、装配式、集成式等建筑方面的成功应用,李珠从容淡定地说,这将会充分发挥微生物制造建材的优势与魅力。今年1月,李珠团队专门成立了山西晟科微生物建材科技有限公司,对微生物制造建材这一新技术进行推广。山西晟科微生物建材科技有限公司也是全球首家致力于微生物制造建材技术的推广应用及推动其实现产业化发展的科技型企业,其主营业务包括微生物建材及其制造技术和成套设备的研究开发、技术转让、技术咨询和技术推广等服务。公司秉承创新卓越思想,通过学科交叉与融合,以研发推广新型微生物建材及其制造技术为己任,实现建材生产制造的零排放、高效率、绿色化,为全球建材行业发展提出新的理念,期望为我国的绿色建材发展作出应有的贡献。

  多年来,李珠团队一直坚持产学研相结合,致力于解决重大工程存在的关键问题。微生物制造建材技术不仅是一个全新的概念,而且对应的产品特别适合于建筑的绿色制造。雄安新区要求建筑施工和材料绿色化、装配化,如前所述,微生物制造建材的特点就是绿色制造并实现资源一体化处理。微生物制造建材生产过程无污染、低能耗,而且建材本身大量利用固体废弃物,因此特别适合雄安新区的新型绿色城镇化建设需求。此外,微生物制造建材技术还特别适用于装配式建筑预制构件的生产。最近,李珠团队申报了相关专利《利用微生物快速制造装配式构配件的方法及工艺》,希望对我国装配式建筑的发展起到一定的推动作用。而在南水北调工程中,李珠团队研发的微生物自修复混凝土对于输水管道、混凝土水坝等开裂问题也有用武之地。

  谈到微生物建材引领世界建筑发展方向,对于建材工业发展将起到怎样的作用,李珠表示,微生物制造建材技术确实是受启发于中国传统工艺。中国自古就将糯米作为胶结料用于建造领域,糯米为微生物提供营养,漫长岁月使得中国古老建筑在胶结处越发结实。李珠团队则用现代科技将这一漫长的生物过程于数小时内完成。

  中国已是世界上最大的基建国家,每年消耗全世界约60%的基础建材。众所周知,水泥、混凝土等基础建材都是近代西方世界发明,中国是其受益者。微生物制造建材技术作为一种全新的基础建材制造技术,具有绿色、高效、智能等全新优势,是中国智慧对世界建筑领域的“反哺”。中国不仅是世界文明的分享者和受益者,同样也是世界文明的贡献者和引领者。

  目前,全球经济发展面临环境的重大制约,低耗低排无废发展是必然选择。在中国,建筑行业耗能已占社会总耗能的1/3,并产生了约40%的城市垃圾,微生物制造建材技术将从根上实现建材的绿色化和循环可持续化。

  李珠坚信,通过微生物学科与土木工程学科的交叉融合,必将会推动世界建筑、建材行业的变革性发展,为全球绿色和可持续性发展贡献中国的智慧。(张华)

  责编:张文斋 审核:王怡洁