2020年度中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )

混凝土科學(xué)技術(shù)獎?基礎理論類(lèi)

獲獎項目展示

在超高性能混凝土（UHPC）體系中，形成內部最緊密堆積是保證其優(yōu)異性能的基礎。目前UHPC的設計缺乏系統全面的堆積理論的指導，纖維、水和減水劑的設計不夠精細，容易導致制備出來(lái)的混凝土存在勻質(zhì)性不好、密實(shí)程度不足、纖維利用率不高、以及高能耗高成本等問(wèn)題。

本項目從UHPC的優(yōu)化設計出發(fā)，提出了基于全材料尺度的UHPC最緊密堆積設計理論，充分考慮了纖維、水和減水劑對堆積體系的影響，并建立了相關(guān)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò )模型、和D-優(yōu)化設計模型等。然后，通過(guò)引入再生骨料、機制砂、礦渣、尾礦、石粉等固體廢物，在不破壞UHPC堆積體系的前提下，通過(guò)取代UHPC中的水泥等高能耗組分，制得的UHPC即保證了其優(yōu)異的性能，又實(shí)現了對固體廢棄物的回收利用，同時(shí)降低了UHPC的能耗與成本，成功地提出了生態(tài)型UHPC制備理念。

在上述設計理念與方法的支撐下，研究團隊實(shí)現了UHPC材料性能的調控：1）研究了該混凝土在澆筑過(guò)程中纖維、混凝土基體和澆筑模型的邊界條件之間的物理化學(xué)作用，闡明了UHPC體系中的纖維動(dòng)力學(xué)問(wèn)題，并建立了纖維細觀(guān)參數與UHPC宏觀(guān)性能之間的關(guān)系模型；2）系統地研究了UHPC自收縮的驅動(dòng)機制，并通過(guò)研究外加劑、預濕多孔輕骨料等對UHPC自收縮的影響，提出了將多孔輕骨料作為載體，攜帶減縮劑以降低UHPC自收縮的方法，制備具有良好工作性能、力學(xué)性能和體積穩定性的UHPC；3）研究了嚴酷環(huán)境下UHPC耐久性能提升技術(shù)，建立了海洋環(huán)境下的離子侵蝕水化動(dòng)力學(xué)模型，并通過(guò)采用煅燒層狀雙氫氧化物有效地提升了UHPC在嚴酷環(huán)境中的耐久性。

針對成果一：就混凝土材料而言，該申報項目中的UHPC材料的顆粒緊密堆積研究課題創(chuàng )造性的提出了全材料尺度最緊密堆積設計理論，基于干堆積密度和濕堆積密度的不同存在形式，構建了UHPC優(yōu)化設計基礎模型，并開(kāi)發(fā)出能適應具有不同物理化學(xué)特征的原材料的智能化UHPC配合比設計軟件。

針對成果二：現階段高水泥用量帶來(lái)的高能耗與高成本問(wèn)題制約了其工程化應用，也對環(huán)境產(chǎn)生巨大影響，該申報項目中的生態(tài)UHPC的優(yōu)化設計研究課題率先提出了在UHPC體系中引入廢棄再生骨料的設計理論，例如用高摻量磷渣取代水泥制備UHPC，實(shí)現了低能耗、低碳排、低成本的目的。

針對成果三：在摻有纖維的UHPC體系中，該申報項目中的纖維動(dòng)力學(xué)過(guò)程研究課題研究了UHPC中纖維動(dòng)力學(xué)過(guò)程及調控機制，創(chuàng )新性的利用計算機圖像分析工具對纖維進(jìn)行去向分析，驗證了新鮮UHPC中影響纖維取向及分布的關(guān)鍵因素。同時(shí)，該申報項目中的纖維細觀(guān)參數與混凝土宏觀(guān)性能關(guān)系研究課題在纖維微觀(guān)層面的研究闡明了纖維含量對UHPC宏觀(guān)性能和微觀(guān)結構的影響，為后續該方向的研究提供了一定的指導。

針對成果四：UHPC的高膠凝材料用量和低水膠比導致了UHPC的體積不穩定性，該申報項目中的體積穩定性?xún)?yōu)化設計研究課題研究了UHPC體積穩定性的驅動(dòng)機理，采用了一種新型輕骨料系統用來(lái)解決混凝土的收縮問(wèn)題，基于多孔輕骨料的載體效應，并利用響應面法分析法研究多孔骨料載體作用的減縮機理，有效的改善了UHPC的體積穩定性。

針對成果五：在海洋等較為惡劣的環(huán)境中，混凝土的耐久性成為混凝土的核心，該申報項目中的海洋環(huán)境混凝土（UHPFRC）研究課題歸納并總結了鋼纖維摻量對混凝提耐久性的影響，得出2％是提高UHPFRC在海洋環(huán)境下抗電化學(xué)腐蝕性能的最佳摻量、1%C-LDHs提UHPC在海洋環(huán)境下的耐久性、海洋環(huán)境中鎂離子延緩水泥早期水化，加速水泥中后期水化等結論，為后續研究奠定了理論基礎和數據支撐。

武漢理工大學(xué)是教育部直屬全國重點(diǎn)大學(xué)，是首批列入國家“211工程”和“雙一流”建設高校，是教育部和交通運輸部等部委共建高校。依托本校材料科學(xué)與工程國家重點(diǎn)學(xué)科，超高性能混凝土（UHPC）研究團隊圍繞著(zhù)建筑材料低環(huán)境負荷制備、功能設計與調控、服役行為與延壽原理、可循環(huán)設計四個(gè)方面開(kāi)展了一系列基礎和應用基礎研究。團隊余睿博士是武漢理工大學(xué)硅酸鹽建筑材料國家重點(diǎn)實(shí)驗室研究員、博士研究生導師，荷蘭埃因霍溫理工大學(xué)博士、博士后、客座研究員，中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )UHPC分會(huì )專(zhuān)家委員、中國硅酸鹽協(xié)會(huì )固廢分會(huì )青年委員、廣東省先進(jìn)水泥基材料工程技術(shù)研究中心副主任、兼技術(shù)委員會(huì )委員。其長(cháng)期致力于超高性能纖維增強復合材料、海洋功能建筑材料、生態(tài)綠色建筑材料等方面的研究工作，在先進(jìn)功能材料的設計、理論分析與數值模擬方面積累了大量的經(jīng)驗。迄今為止，主持和參與包括國家自然科學(xué)基金、軍工863計劃、國家科技支撐計劃、十三五重點(diǎn)研發(fā)計劃、廣東省中山市重大科技專(zhuān)項等國家級、省部級項目10余項，在Cement and Concrete Research, Cement and Concrete Composites, 硅酸鹽學(xué)報等國內外頂級期刊上發(fā)表各類(lèi)學(xué)術(shù)論文100余篇，SCI檢索60余篇，總計影響因子約300，文章總引用次數近3000次，發(fā)表ESI高被引論文1篇，3篇論文進(jìn)入到本研究領(lǐng)域頂級期刊的熱門(mén)下載序列，先后20余次受邀在國際、國內學(xué)術(shù)會(huì )議上做口頭報告并擔任分會(huì )場(chǎng)主席，已出版英文學(xué)術(shù)專(zhuān)著(zhù)1部，獲得國家授權專(zhuān)利6項，軟件著(zhù)作權3項。參與完成了我國第一個(gè)UHPC海洋漂浮平臺和第一個(gè)深遠海建筑材料暴露實(shí)驗站的建設。以第一完成人身份獲2020年度中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì )混凝土科學(xué)技術(shù)二等獎。2021年入選斯坦福大學(xué)發(fā)布的全球Top2%科學(xué)家年度名單。