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香港理工大學潘智生和陸建鑫教授團隊及成員范定強和呂學森博士等在低碳泡沫混凝土材料基礎設計理論及固碳應用領域取得重要進展。研究工作闡明了水性泡沫的理化穩(wěn)定機制，解析了泡沫混凝土孔結構調控與性能強化的內(nèi)在關聯(lián)機制，形成了CO₂泡沫混凝土結構功能一體化設計與調控的方法，由此建立了“材料精細設計—孔結構調控—功能化增強”的系統(tǒng)理論體系。基于此，取得了三項原創(chuàng)性成果，可推動先進功能泡沫混凝土材料的技術創(chuàng)新和工程應用。該課題廣泛與國內(nèi)外知名高校展開合作，其中包括浙江大學、東南大學、武漢理工大學等國內(nèi)建材領域知名院校，以及東京大學、首爾國立大學、帝國理工學院等國際頂尖學府。相關研究工作獲得國家自然科學基金、香港創(chuàng)新及科技基金、香港綠色技術基金等項目資助，研究成果已發(fā)表于Cement and Concrete Research、Cement and Concrete Composites、Composites Part B、Chemical Engineering Journal、《硅酸鹽學報》等領域權威期刊，并榮獲第50屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展“評審團特別嘉許金獎”。

“中心質效應-流變學協(xié)同驅動”的高性能泡沫混凝土設計理論

通過“中心質堆積-泡沫穩(wěn)定化-流變學調控”協(xié)同設計理論框架，優(yōu)化泡沫混凝土基體多尺度堆積結構和氣孔形貌與分布，從而實現(xiàn)材料微觀結構與宏觀性能的高效匹配（圖1）。

圖 1 高性能泡沫混凝土（HPFC）設計理論框架

1. 基于“中心質理論”的多尺度物理化學緊密堆積基體設計

針對傳統(tǒng)顆粒干堆積理論設計的局限性，將水化產(chǎn)物、微粉填料與液相組分共同納入“中心質效應圈-顆粒緊密堆積”體系，創(chuàng)新性地提出了多尺度顆粒最優(yōu)間距理念，構建了以水化相的“中心質效應”并耦合顆粒堆積結構的超高強水泥基體設計理論^[1]。

2. 納米粒子與離子型表面活性劑的協(xié)同穩(wěn)泡

研究了雙親納米硅在泡沫液膜中的吸附機制和微結構調控機理，提出了雙納米材料與離子型表面活性劑協(xié)同穩(wěn)泡策略。研究表明，該方法顯著強化泡沫熱力學穩(wěn)定性和尺寸均勻性，有效延緩水泥漿體中泡沫的失穩(wěn)和聚并進程，形成高球形度、低應力集中的氣孔結構，進而實現(xiàn)泡沫混凝土性能提升^[2]。

3. 基于流變調控的孔結構定向優(yōu)化策略

利用三維表征技術探究泡沫混凝土漿體流變特征與孔隙形態(tài)（如孔徑分布、球形度、分形維數(shù)等）間的非線性映射關系。研究表明，泡沫混凝土在特定粘度窗口（1.30±0.15 Pa·s），可最優(yōu)化水泥漿體內(nèi)的泡孔分布和孔形貌特征。相同密度等級下，該技術制備產(chǎn)品的力學性能是常規(guī)泡沫混凝土的2~3倍，兼具優(yōu)異耐久性 (圖2)^[3]。

圖2  高性能泡沫混凝土的性能特征：（a）流變性能與孔尺寸關系；（b）流變性能與孔均勻性關系；（c）優(yōu)化后的材料孔結構連通性模型；（d）抗壓強度；（e）比強度；（f）微觀硬度；（g）吸水率；（h）導熱系數(shù)；（i）二維與三維孔結構

內(nèi)外協(xié)同碳化增強泡沫混凝土：主動與被動協(xié)同降碳

針對CO₂泡沫穩(wěn)定性不足和固碳效率低的難題，開創(chuàng)性地提出水溶膠CO₂泡沫穩(wěn)定化制備技術，并發(fā)展了內(nèi)外協(xié)同碳化增強的CO₂泡沫混凝土材料體系，實現(xiàn)材料的固碳、減碳與性能增強雙重效益：

1. 水溶膠型超穩(wěn)定CO₂泡沫構筑

通過仿生海藻氣囊結構，利用長鏈聚合物溶膠分子的自組裝成膜特性，研發(fā)了高彈模、高致密度和低透氣性的水溶膠基CO₂泡沫，泡沫壽命最長可超8小時，是常規(guī)方法的20~50倍。基于CO₂泡沫物理動力學分析，定義了“排液因子”和“聚并因子”作為泡沫穩(wěn)定性評價新指標，并闡明CO₂泡沫液膜微結構特征與泡沫穩(wěn)定性的內(nèi)在關系（圖3）^[4]。

2. CO₂泡沫誘導的“內(nèi)碳化-結構強化”復合機制

將CO₂泡沫引入水泥基體，制備多密度等級CO₂泡沫混凝土材料，并研究了CO₂泡沫-水泥漿體界面內(nèi)碳化反應過程及產(chǎn)物微結構特征（圖3）。研究發(fā)現(xiàn)，該方法提升了泡沫混凝土內(nèi)孔壁致密性，同時可促進漿體水化，改善體系內(nèi)C-S-H膠凝結構，由此實現(xiàn)孔結構強化與材料效率提升^[5-6]。

圖3  超穩(wěn)定CO₂泡沫和CO₂泡沫混凝土

3. 外碳化協(xié)同增強的CO₂泡沫混凝土

研究了不同外碳化條件下混凝土基體內(nèi)的碳化產(chǎn)物形成機制和空間分布規(guī)律，通過控制基體內(nèi)CO₂傳質-碳化反應的熱動力學過程，實現(xiàn)了材料的水化產(chǎn)物、微觀硬度及孔徑分布等特征的調控，進而優(yōu)化泡沫混凝土的力學性能和耐久性能。研究表明，設計的CO₂泡沫混凝土的主動固碳能力優(yōu)異（可達90 CO₂ kg/m³），且材料具有優(yōu)異保溫隔熱性能，由此在建筑運營階段可降低約20%能耗，實現(xiàn)被動降碳（圖4）^[7]。

圖4 固碳型泡沫混凝土的應用策略：主動與被動協(xié)同降碳

定向氣孔結構疏水改性設計三維疏水泡沫混凝土

針對泡沫混凝土多孔結構親水，致使性能劣化快、應用領域受限等問題，開發(fā)了泡沫混凝土三維氣孔結構的疏水改性技術，以增強耐久性和功能可靠性。

1. 硅烷自發(fā)泡原位構筑三維超疏水泡沫混凝土

利用硅氧烷自發(fā)泡-原位沉積硅酮微膜的方法，構筑三維超疏水泡沫混凝土結構。提出了“低能氣孔結構”耦合“孔壁粗糙基元”的仿生超疏水泡沫混凝土設計理念，解析了硅氧烷在水泥漿中的化學運轉規(guī)律和超疏水微結構的形成機制。研究表明，超疏水泡沫混凝土耐久性顯著提升的同時，還可強化產(chǎn)品的多功能表現(xiàn)（如抗冰、抗凍融、抗侵蝕、隔熱保溫等）（圖5）^[8]。

圖5 三維超疏水泡沫混凝土性能分析：（a）氣孔分布；（b）界面粗糙度；（c）斷面疏水效果；（d）多孔超疏水模型；（e）熱導率；（f）吸隔聲

2. 水溶膠復合硅烷物理法預制超穩(wěn)定疏水泡沫

針對疏水劑消泡，物理預制泡沫疏水改性難的問題。利用水溶膠構筑泡沫液膜，借助分子靜電力將硅烷分子定向吸附在液膜外壁，研制了兼具超穩(wěn)定性和疏水能力的物理預制泡沫，實現(xiàn)三維疏水泡沫混凝土的簡易宏量制備。闡明了硅烷運轉狀態(tài)及與液膜疏水微結構的形成機制、泡沫熱力學穩(wěn)定性的內(nèi)在關系。研究發(fā)現(xiàn)，形成的疏水孔結構可顯著提升泡沫混凝土的抗?jié)B透、抗離子侵蝕性能，同時增強材料比強度（圖6）^[9]。

圖6 疏水泡沫和混凝土性能分析：（a）水下漂浮效果；（b）泡沫耐久性；（c）泡沫EDS；（d）X-ray CT孔結構；（e）吸水率；（f）阻抗譜

潘智生(Poon Chi Sun)，香港理工大學講座教授，土木及環(huán)境工程系主任，碳中和資源工程研究中心主任，教育部“長江學者”，香港太平紳士。長期從事低碳建筑材料和固體廢棄物資源化研究，發(fā)表學術論文700余篇，Google scholar H index >140, 引用超過70000次，是土木、環(huán)境兩個領域的高被引學者，曾獲得2018年國家技術發(fā)明二等獎、2021年建筑材料科學技術一等獎、2025年日內(nèi)瓦國際展嘉許金獎等，曾擔任國際期刊Waste Management和Construction and Building Materials副主編，Cement and Concrete Composites編輯，培養(yǎng)博士、博士后人才100余名。(郵箱：cecspoon@polyu.edu.hk)

陸建鑫，現(xiàn)任香港理工大學土木及環(huán)境工程系助理教授(研究)、博士生導師，博士畢業(yè)于香港理工大學，入選國家級青年人才、全球2%頂尖科學家榜單。長期聚焦低碳輕質高強混凝土的研究，也在固體廢棄物資源化方向開展前沿性和創(chuàng)新性的探索研究。主持國家自然科學基金、香港建造業(yè)研發(fā)基金、香港綠色技術基金和碳中和基金等10余項。學術成果在建材領域權威期刊Cem Concr Res、Cem Concr Compos、Compos Part B、《硅酸鹽學報》等發(fā)表，已累計發(fā)表SCI論文100余篇，H因子43，論文總引用5000余次，申請和授權發(fā)明專利10項，參編Elsevier混凝土材料方向的著作2部，研究成果已在香港模塊化建筑和路面基礎設施中推廣應用，獲得第50屆日內(nèi)瓦國際展評審團嘉許金獎 (1/4)、香港綠色創(chuàng)新大獎銀獎和香港環(huán)保建筑優(yōu)異獎等榮譽。(郵箱：jxinlu@polyu.edu.hk)

范定強，香港理工大學土木及環(huán)境工程學系博士生，師從潘智生教授及陸建鑫教授，東京大學建材所聯(lián)培博士(導師：Takafumi Noguchi教授)。主要研究方向為高性能水泥基復合材料和多功能建筑材料。以第一作者在Cem Concr Res、Cem Concr Compos、Compos Part B、Chem Eng J、《硅酸鹽學報》等期刊發(fā)表學術論文10余篇，申請專利/軟著3項。受邀擔任The Innovation、Prog Mater Sci、Mater Today、Cem Concr Compos等20余個國際頂級SCI期刊審稿人。獲第50屆日內(nèi)瓦國際展評審團嘉許金獎、2024年度香港理工大學最佳研究生獎(全校僅2人)、CCPA混凝土科學技術二等獎、中國復合材料學會卓越論文工程獎和《硅酸鹽學報》高影響力論文獎等榮譽。

呂學森，香港理工大學博士后，博士畢業(yè)于廣西大學，長期從事多功能水泥基建筑材料研究，聚焦于多孔泡沫混凝土材料基礎設計理論及多功能應用。主持Matching Fund博后項目（PolyU，3年110萬港幣）、中國熱科院專項（18萬），參與國家自然科學基金、香港創(chuàng)新及科技基金和碳中和基金等項目，受邀擔任JOVE期刊客座編輯。在Cem Concr Compos、Chem Eng J、ACS Sus Chem Eng等SCI期刊發(fā)表學術論文20余篇，申請專利3項。研究成果已在香港模塊化建筑和路面基礎設施中推廣應用，榮獲第五十屆日內(nèi)瓦國際發(fā)明展評審團嘉許金獎、全國泡沫混凝土用泡沫劑技術創(chuàng)新大賽三等獎。(郵箱：xue-sen.lyu@polyu.edu.hk)

張春鵬，香港理工大學土木與環(huán)境工程系研究助理，本科、碩士畢業(yè)于東南大學材料科學與工程專業(yè)，主要從事面向可持續(xù)發(fā)展的低碳建材體系開發(fā)，以及相應綠色混凝土技術工程應用示范工作。在Cem Concr Res、Cem Concr Compo、ACS Sus Chem Eng等期刊發(fā)表學術論文12篇。

相關文獻：

來源 / 香港理工大學潘智生教授團隊