演讲人：Wil Srubar
所属：科罗拉多大学博尔德分校
描述：微生物诱导混凝土腐蚀 (MICC) 是普通波特兰水泥 (OPC) 混凝土在下水道基础设施应用中暴露于生物硫酸的主要耐久性挑战。耐酸碱活化水泥 (AAC) 混凝土已被确定为解决这一普遍存在的基础设施耐久性挑战的潜在解决方案。先前的研究表明，AAC 的耐酸性取决于许多物理和化学因素，包括 AAC 的酸类型、浓度、活性和化学成分。本演讲将重点介绍当前对 AAC 耐酸性的机制理解，并结合已发表和正在进行的关于不含和含有矿物掺合料的矿渣和偏高岭土基 AAC 的耐硫酸性的研究。文章使用硫酸溶液半动态浸出后电子探针分析和 X 射线衍射等耐酸性实验研究数据来解释机理。AAC 在暴露于酸性环境后微观结构的变化与体积渗透孔隙率和腐蚀深度的变化相关。该演讲将为比之前观察到的更复杂的 AAC 酸降解机制提供证据，并为开发具有出色耐酸性的 AAC 混凝土材料提供参考。
https://www.youtube.com/watch?v=Cpbt2QUtBr0
我们的下一位演讲者是威尔·施鲁巴博士。他是科罗拉多大学博尔德分校土木与建筑工程以及材料科学的副教授。施鲁巴博士获得了斯坦福大学的博士学位。他的研究结合了生物学、高分子科学和水泥化学，旨在为建筑环境创造低碳生物材料和活性材料技术。迄今为止，他的实验室已通过美国国家科学基金会、空军研究实验室和ARPA-E的生物技术办公室获得超过八百万美元的赞助研究资金。
感谢施鲁巴博士，我将把时间交给您。
谢谢，山姆。大家好，早上好，下午好，或者晚上好，具体取决于你们在世界的哪个地方。正如山姆提到的，我是威尔·施鲁巴博士，来自科罗拉多大学博尔德分校，很高兴今天能在这个小组中发言，并借此机会分享我们一项120万美元的ARPA-E资助项目，该项目几年前与普林斯顿大学的克莱尔·怀特教授的团队合作，主要涉及酸性耐受的碱激活地聚合物水泥，专门设计用于增强污水基础设施的性能。
对于不熟悉地聚合物水泥的人来说，地聚合物实际上是一个术语，描述了一类碱激活的水泥，在这种水泥中，我们使用的铝硅酸盐不是飞灰或矿渣，而是焙烧粘土，如美克伦，其钙含量极低，甚至在我们的案例中是无钙的，这在某种程度上是其在特定污水环境中表现的关键。正如我稍后将解释的那样，我们通过使用氢氧化钠和补充硅酸钠的碱激活剂来激活美克伦，与普通波特兰水泥不同，后者的反应产物是钙硅酸水合物和氢氧化钙，地聚合物主要产生钠稳定的铝硅酸水合物，因此系统中几乎没有钙。
我们的主要目标当然是解决生物硫酸盐降解普通波特兰水泥混凝土的问题。我们从前两位演讲者那里听到了很多关于这一问题的讨论。在此，我想指出，在左下角的机制中，污水中的硫还原细菌会产生硫化氢气体，而嗜酸细菌，即硫氧化细菌，则将H₂S转化为硫酸。硫酸可以与普通波特兰水泥中的钙丰富相位反应，如氢氧化钙，酸性环境导致脱钙和钙硅酸水合物的降解，这实际上是我们所看到的在污水管道顶部形成的石膏层的原因，它非常脆弱。
这实际上是一个经典的例子，低钙碱激活材料如地聚合物可能是解决这一问题的更好材料解决方案。我们并不一定想完全替换整个管道，但地聚合物涂层可以显著延长污水管道的使用寿命。
当然，还有其他材料解决方案用于污水基础设施，如金属聚合物粘土管，但实际上没有一种材料像普通波特兰水泥混凝土那样普遍。在材料解决方案方面，您已经听到前两位演讲者谈到抗菌水泥作为减轻此问题的一种途径，而我们的解决方案是设计一种地聚合物涂层材料，可以使生物降解率减少80%，主要是指石膏层的产生，从每年约5毫米减少到每年不到1毫米，从而延长我们污水基础设施的使用寿命。
我们希望通过我们的项目展示，我们正在看到总生命周期环境和经济成本的减少，以减轻这种硫酸降解。
关于我们的团队，我很荣幸能领导一个才华横溢的博士后和研究生团队，与我的共同研究者克莱尔·怀特教授一起。正如山姆所说，我的专业主要在于生物材料和替代水泥，因此这个项目确实探讨了生物酸产生，并试图理解材料如何与存在的细菌和谐共存。我们正在建立在我之前获得的国家科学基金会奖的基础上，我们发现如果对地聚合物进行某些阳离子掺杂，我们实际上可以实现这些材料在抗硫酸性能方面的前所未有的改进。
克莱尔的团队专注于复杂和异质的亚微米结构及其过程，她为我们进行了许多分子动力学模拟，以帮助我们理解在暴露于硫酸时这些材料的降解过程。
我们的项目目标如图所示，我们的第一个目标是实验性地建立硫酸抵抗力和理想机械性能的基准。这项项目已经进行了一段时间，因此我们直接以硫酸浸泡作为硫酸抵抗力的标准，因为我们并不关注抗微生物性，而是试图理解这些材料在硫酸环境中的性能。这个第一个目标的一个子集是对地聚合物水泥性能进行基准测试，并证明这些地聚合物粘结剂在硫酸中的优越性。
我们的第二个目标是通过对这些地聚合物水泥进行特定阳离子的掺杂，以最大化其硫酸抵抗力。因为我们发现了实验证据，甚至我也将向您展示一些计算证据，这些强结合的阳离子可以稳定地聚合物框架，即使在酸性环境中。
当然，我们还有第三个目标，通过生命周期成本分析和生命周期评估来证实改善的经济和环境生命周期成本。
在这里，我展示了我们第一次基准测试的结果，我们观察了类型1、2和类型2.5波特兰水泥在抗压强度、孔隙率和凝结时间方面的表现。我们试图对这些材料进行基准测试，确保我们获得了理想的特性，如压强大于15兆帕，孔隙率小于40，凝结时间小于24小时。
当然，这些材料都通过了我们对新鲜和硬化状态特性的初步基准测试。我们随后测试了几种地聚合物水泥的不同配方。由于我们有一些正在进行的知识产权，因此我将具体配方的细节保持模糊，但这些都是独特的地聚合物配方。
正如您所看到的，有几种配方通过了抗压强度、孔隙率和初始凝结时间的测试，因此这些配方被选中进行进一步研究。需要注意的是，关于凝结时间，有时人们认为地聚合物水泥需要热固化才能凝结，但实际上并不一定如此，这些材料在常温下均在24小时内凝结。因此，关键在于正确设计地聚合物水泥浆，以实现所需的性能。
我们选择了其中三种来进行硫酸降解实验。所展示的是我们测试的所有配方的圆柱样品的一维腐蚀深度测量，包括我们的四种普通波特兰水泥控制样品，以便相对比较腐蚀深度。这些样品仅在一个表面暴露于pH 2的硫酸溶液中，持续七天，以便获得腐蚀深度的相对比较。
我们能够测量每个样品在暴露七天后的硫酸降解深度。就普通波特兰水泥控制样品而言，类型1和类型2样品表现最佳。这一点很重要，因为有些人可能认为类型2.5（耐硫酸盐水泥）会表现得更好，但硫酸盐攻击的耐受性与暴露于硫酸盐和地下水并不一定确保对污水中的硫酸的抵抗力，因为这完全是不同的机制。
所以我们发现类型1和类型2在抵抗硫酸方面表现更好。而在地聚合物水泥方面，您可以看到配方2在硫酸测试中表现最佳，从这个结果可以清楚地看出低钙地聚合物在抵抗硫酸攻击方面的优势。
每种配方都有独特的性能优势，因此我们最终将它们全部推进到研究计划的下一阶段，即通过阳离子掺杂来增强这些水泥的性能。如我之前提到的，我的博士生JP Javaldon的研究表明，当我们用特定的阳离子掺杂地聚合物时，我们实际上可以在暴露于硫酸时稳定钠—钠水合物。因此，我们的问题是，哪些阳离子最有效。克莱尔的团队在运行分子动力学模拟方面做得非常出色，计算了不同稳定阳离子在水泥浆中的结合能，这些阳离子能够平衡硅氧铝键。因此，我在这里向您展示这个插图，这里的蓝点实际上是钠，这通常是普通地聚合物中的钠，在暴露于硫酸时可能会因进入系统的氢氧根离子而被排出。
我们还可以观察到铝的排放，如果钠也离开系统。因此，我们正在尝试理解，如果我们用其他阳离子替换钠，结合能是否会得到改善，并帮助稳定基础的铝硅酸盐键。我们选择了四种阳离子，基于不同的结合能、性能、成本和可获得性。
对此我们保持了一些模糊，原因是我们还没有在这方面发表相关研究。我们选择的四种阳离子在计算上是有效的。那么它们在实验中表现如何呢？
这里是一张图，展示了我们在硫酸中测试的混合物的七天腐蚀深度。我们将所有测试的地聚合物混合物与波特兰水泥（OPC）类型1和2作为基准进行比较，因为它们的性能最佳。我想解释一下我们使用的命名法。第一个数字是混合物ID，不包含阳离子，第二个数字是我们使用的阳离子ID，分为1到4。字母a或b表示阳离子的用量，分别为高、中、低。可以看到，某些阳离子降低了性能，我们对此有一些理论解释，但阳离子编号2在低浓度和中浓度下改善了性能，平均而言，与原始配方相比有所提升。
我们并没有在所有剂量下测试所有阳离子，因为我们采用了实验设计以最小化样本数量。但我们确实测试了阳离子添加到混合物编号3中，阳离子编号2表现最佳，而其他阳离子没有显示出增强的硫酸抵抗性。对地聚合物混合物编号6的测试结果也是如此，阳离子编号2再次表现突出。因此，迄今为止，我们的主要收获是，地聚合物配方编号2与阳离子编号2是我们相较于波特兰水泥基准的最佳配方。正如我们所展示的，它将硫酸腐蚀深度减少了多达99%，而我们最初的目标是减少80%。
接下来的问题通常是关于成本的，因此克莱尔的团队还建立了一个初步的成本模型，以将我们的地聚合物涂层与用于污水基础设施的主要传统材料进行比较，主要是全新的波特兰水泥管道、混凝土管和聚合物基材料。可以看到，如果我们建造100%的地聚合物管道，前期成本会高于混凝土管道，但如果我们只是在现有管道上喷涂地聚合物涂层，我们可以看到该应用的成本降低，成为一个非常有吸引力的选择。
如果我们规范化每年的服务寿命成本，我们可以估算这些涂层的预期使用寿命，但在此计算中没有考虑任何折扣率。这只是给您一个快速的概念，表明我们的配方中的地聚合物涂层将是一个非常有吸引力的选择。
因此，我们实际上正在积极寻找许可和商业化合作伙伴，我们的项目还有大约六个月的时间，因此有充分的机会与行业接洽，以帮助我们完善和加强我们的市场策略。如果您想了解更多并参与我们的项目，请随时与我们联系，因为我们认为我们的研究非常特别。
谢谢山姆，让我们有机会与您分享我们的成果，也感谢ARPA-E对我们项目的资助。我现在愿意回答任何问题，或者如果我们超出时间，山姆，我们可以转到下一位演讲者。
谢谢你，威尔。抱歉，我刚想打开麦克风，结果已经打开了。我收到两个问题，第一个问题来自罗伯特·谢尔顿，询问为什么抗压强度是一个基准标准，如果它对酸的抵抗性没有显著影响。我们选择测试抗压强度，因为我们预期这是行业内许多人希望看到的数据点，所以我们决定进行测试。我们也有一些孔隙率的基准，但我们发现，孔隙率并不一定是抗酸性的良好指示，正如抗压强度一样，它未必是抗酸性的良好指标。
第二部分的问题归结为正在发生的化学反应，材料本身是否能缓冲pH值，并在低pH环境中保持稳定。
非常感谢，威尔。我们还有一个来自道格·胡顿的问题，关于木质喷射混凝土衬里表面粗糙度和生物膜形成。是的，当然，除非您将其处理成光滑的表面。我想指出的是，由于我们的材料不是基于抗菌机制，我们并不预期细菌在表面上形成和繁殖会成为一个大问题，只要我们能够抵抗产生的硫酸。因此，我们直接进行第三阶段的模拟，将我们的材料置于硫酸中，因为无论细菌是否存在，我们都想设计一种能够抵抗酸的材料，因此表面粗糙度并不会太大影响。
最后一个问题来自泰勒·沃克，询问关于CSA水泥和微生物抵抗性。我们可能会有关于CSA水泥的演讲，或者是CAC水泥，我记不太清楚了，但事实是那些体系中含有钙，所以我对其了解不多，但我的直觉是，在低pH下，如果发生脱钙，钙就会与在硫酸中产生的硫酸盐发生反应。因此，我的猜测是，您可能会看到一些膨胀产物形成，但我不清楚具体情况。
还有一个问题，抱歉我需要一点时间来查看。这里提到，地聚合物的表现是否与第一和第二阶段相似。我们还没有直接在第一和第二阶段进行测试，这与之前关于表面粗糙度的问题有关。我们可能会看到一些好处，与抵抗第一和第二阶段相比，普通水泥的表现可能有所不同，但我们还没有进行测试。
