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2020年12月6日，由中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)和中國硅酸鹽學(xué)會(huì)聯(lián)合主辦的第三屆中國混凝土大講堂于南京國際博覽會(huì)議中心如約開講。

會(huì)議現(xiàn)場

本次混凝土大講堂經(jīng)專家委員會(huì)推薦和提名，確定報(bào)告主題內(nèi)容為高性能與超高性能混凝土材料的創(chuàng)新發(fā)展，邀請?jiān)诖祟I(lǐng)域做出突出貢獻(xiàn)的2位學(xué)者和專家開展學(xué)術(shù)與技術(shù)交流，分別是東南大學(xué)特聘教授錢春香教授和中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)超高性能水泥基材料與工程技術(shù)分會(huì)趙筠秘書長。

徐永模會(huì)長主持并致辭

中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)執(zhí)行會(huì)長徐永模主持大會(huì)并致辭。他表示，中國混凝土大講堂創(chuàng)辦伊始，就緊緊圍繞國內(nèi)外混凝土材料與工程發(fā)展的重大需求，聚焦混凝土材料科學(xué)研究的前沿領(lǐng)域和最高水平，以引領(lǐng)和促進(jìn)我國混凝土科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展。

作為世界上用量最大的工程材料，混凝土脆性大、易開裂的原生屬性嚴(yán)重限制了混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能和使用壽命。旨在長效解決裂縫問題的自防護(hù)混凝土已成為國際工程材料領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。通過模擬生物組織創(chuàng)傷自修復(fù)機(jī)理，將光纖、液芯纖維、形狀記憶合金、微生物修復(fù)劑或聚合物等膠粘劑與混凝土相復(fù)合，使混凝土材料對開裂形成應(yīng)激反應(yīng)，實(shí)現(xiàn)損傷自診斷和裂縫自修復(fù)，從而達(dá)到對混凝土結(jié)構(gòu)的自防護(hù)。自防護(hù)混凝土是現(xiàn)代混凝土技術(shù)發(fā)展的高級階段，將有助于突破傳統(tǒng)混凝土材料稟賦，集成結(jié)構(gòu)與多功能于一體的自防護(hù)混凝土材料是支撐國家新型基礎(chǔ)建設(shè)戰(zhàn)略的關(guān)鍵工程材料之一。與此同時(shí)，超高性能混凝土在基礎(chǔ)研發(fā)、生產(chǎn)技術(shù)、工藝裝備、產(chǎn)品質(zhì)量和工程應(yīng)用等多個(gè)方面持續(xù)取得進(jìn)展。應(yīng)用于國內(nèi)外不同行業(yè)領(lǐng)域和場景的工程創(chuàng)新層出不窮，標(biāo)志著超高性能混凝土材料已經(jīng)得到市場的認(rèn)可，邁入了規(guī)?；?、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展階段。

第一位主講嘉賓是東南大學(xué)錢春香教授。作為我國建筑材料微生物礦化技術(shù)領(lǐng)域的開拓者，她首創(chuàng)和發(fā)展了多類微生物自防護(hù)工程材料，形成了廣泛的國際影響力。通過“產(chǎn)-學(xué)-研-用”全鏈條融合創(chuàng)新，將以自修復(fù)混凝土為代表的自防護(hù)材料和其他高性能混凝土，成功應(yīng)用于高鐵、水利、隧道、橋梁、地鐵、機(jī)場等工程，產(chǎn)生了良好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。研究成果獲得國家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)2項(xiàng)、省部級一、二等獎(jiǎng)5項(xiàng)。錢春香教授在混凝土大講堂上介紹了自防護(hù)混凝土在裂縫自診斷、自修復(fù)研究方面的最新進(jìn)展。

錢春香教授

徐永模會(huì)長為錢春香教授頒發(fā)主講嘉賓榮譽(yù)證書

錢春香教授從自然界硬質(zhì)損傷自愈合出發(fā)，詳細(xì)介紹了皮膚、骨骼、肢體、植物、巖鹽等動(dòng)物、植物和非生命體的自愈合現(xiàn)象。延伸分享了人造材料的自愈合機(jī)理，如開環(huán)易位聚合、分子內(nèi)和分子間的交聯(lián)、微相分離、動(dòng)態(tài)共價(jià)鍵重塑、多重氫鍵結(jié)合、分子間范德華力作用、形狀記憶效應(yīng)、振蕩磁場下超磁性納米粒子磁熱轉(zhuǎn)化、晶體物質(zhì)二硫鍵重排等。

以自然現(xiàn)象為靈感，針對混凝土材料，在系統(tǒng)闡述裂縫形成及危害的基礎(chǔ)上，錢春香教授重點(diǎn)介紹了混凝土材料的自愈合研究歷程。澆筑密實(shí)未開裂的混凝土自身具有良好的防水功能，而一旦開裂，防水功能將迅速喪失。1m厚的混凝土若含有0.1mm寬的貫穿裂縫，在1m高水頭下，僅需2min左右就會(huì)被滲穿。由此可見，裂縫對結(jié)構(gòu)整體性的破壞和防水功能的損毀是極其嚴(yán)重的。同時(shí)，裂縫也會(huì)加速氯離子、硫酸根離子、二氧化碳傳輸，進(jìn)一步劣化混凝土材料，嚴(yán)重降低其耐久性能。

隧道混凝土開裂滲漏現(xiàn)象（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）

裂縫對混凝土材料的負(fù)面影響是多方面的，開裂后隔聲、傳熱等性能也會(huì)極大衰減。因此，裂后混凝土必須采取必要措施進(jìn)行修復(fù)，而當(dāng)前修復(fù)方法主要以被動(dòng)修復(fù)為主，例如表面修補(bǔ)法、灌漿法、混凝土置換法、填充法、結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)法等，但日趨復(fù)雜的混凝土結(jié)構(gòu)增加了開裂位置的隱蔽性，眾多基礎(chǔ)設(shè)施也不具備值守條件，裂縫難以及時(shí)探查，因此重大基礎(chǔ)設(shè)施急需自愈合技術(shù)。

混凝土裂縫自愈合研究最早可追溯到1836年，法國科學(xué)院學(xué)者揭示了水泥水化滲出的氫氧化鈣碳化愈合裂縫的機(jī)理。自此，混凝土自愈合研究陸續(xù)開展。1980年，中國首次在上海地鐵工程修建中引進(jìn)了水泥基滲透結(jié)晶防水自愈合材料；2001年，美國南達(dá)科他礦業(yè)技術(shù)學(xué)院最先提出把微生物礦化用于混凝土裂縫修復(fù)；2005年，錢春香教授在國內(nèi)開展了第一個(gè)微生物自修復(fù)技術(shù)的國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目研究，內(nèi)容包括碳酸鹽礦化菌誘導(dǎo)碳酸鈣沉積機(jī)理以及碳酸鈣結(jié)晶動(dòng)力學(xué)、形態(tài)學(xué)，并成功應(yīng)用于水泥基材料表面缺陷修復(fù)。截至目前，已有63個(gè)國家進(jìn)行了混凝土自愈合研究，是現(xiàn)代混凝土技術(shù)的熱點(diǎn)之一。

根據(jù)機(jī)理和形式，將混凝土裂縫自診斷、自愈合技術(shù)歸納為9類，包括原生自愈合、滲透結(jié)晶自愈合、高吸水性聚合物自愈合、電化學(xué)沉積自愈合、形狀記憶合金自愈合、中空纖維自愈合、空芯光纖自愈合、微膠囊自愈合及微生物礦化自愈合。其中，原生自愈合法、滲透結(jié)晶法的機(jī)理都屬于化學(xué)作用；高吸水性聚合物、形狀記憶合金自愈合屬于物理或力學(xué)作用；中空纖維法、空芯光纖法、微膠囊法是按載體形式劃分的，自修復(fù)劑與混凝土不發(fā)生直接接觸；微生物礦化法屬于生物化學(xué)作用。

利用混凝土中未水化顆粒的持續(xù)水化反應(yīng)、水化產(chǎn)物氫氧化鈣碳酸化反應(yīng)和氫氧化鈣與活性摻合料的火山灰反應(yīng)進(jìn)行的裂縫修復(fù)稱為原生自愈合，但這種方法一般限于寬度不大于0.1mm裂縫的修復(fù)。

高吸水性聚合物自愈合是指將高吸水性聚合物（SAP）摻入混凝土中，混凝土開裂后，SAP顆粒遇水膨脹，封堵裂縫，顯著提高抗?jié)B水能力。但成本較高，對混凝土強(qiáng)度有負(fù)面影響。

高吸水性聚合物在混凝土中的賦存狀態(tài)及裂縫修復(fù)機(jī)理

（圖片來源：H.X.D.Lee, et al, 2010）

電化學(xué)沉積法利用電位差作用驅(qū)動(dòng)離子產(chǎn)生遷移生成沉積物封堵裂縫，脈沖電流法比直流電法效果好。這種方法需要通電，投資較大。

電化學(xué)沉積示意圖

中空纖維混凝土損傷自愈合啟發(fā)于動(dòng)物體的“毛細(xì)血管”受損自愈合現(xiàn)象，將中空纖維排布在混凝土基體中，當(dāng)混凝土產(chǎn)生裂縫時(shí)，纖維中的修復(fù)劑流入裂縫后固化修復(fù)。

微膠囊自愈合中微膠囊預(yù)埋于水泥基材料內(nèi)部，混凝土開裂時(shí)，微膠囊被打開，包覆的化學(xué)物質(zhì)釋放愈合裂縫。對于微膠囊技術(shù)的研究集中于壁材和負(fù)載修復(fù)劑的材料和制備工藝的研究。

微生物礦化法是當(dāng)今國內(nèi)外最熱門的混凝土自愈合技術(shù)，在拌和時(shí)將微生物添加到混凝土中?；炷灵_裂前，微生物以芽孢形式休眠，混凝土開裂后，水分和空氣進(jìn)入裂縫激活芽孢，芽孢不斷萌發(fā)成為細(xì)胞，產(chǎn)生酶催化作用和礦化沉積，隨著礦化產(chǎn)物不斷增多，裂縫逐漸愈合。微生物礦化自愈合技術(shù)可有效修復(fù)寬度0.5mm以下裂縫，修復(fù)深度可達(dá)2cm，修復(fù)后混凝土的抗?jié)B水性、抗氯離子滲透和對鋼筋的保護(hù)能力均大幅提高。微生物修復(fù)劑對混凝土凝結(jié)時(shí)間、拌合物密度、絕熱溫升、抗壓強(qiáng)度、應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系無明顯影響。通過該技術(shù)可實(shí)現(xiàn)混凝土裂縫的自動(dòng)感知和主動(dòng)修復(fù)，應(yīng)用潛力巨大。錢春香教授已帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)了系列微生物修復(fù)劑及自修復(fù)混凝土生產(chǎn)工藝，編制了首部應(yīng)用技術(shù)規(guī)程。

接下來，錢春香教授介紹了國內(nèi)外自愈合混凝土的典型工程案例。在美國，1996年在世界范圍內(nèi)首次開展了中空纖維自愈合混凝土在橋面混凝土中的應(yīng)用；在日本，2011年在混凝土預(yù)制構(gòu)件中應(yīng)用了礦物增強(qiáng)原生自愈合技術(shù)；在荷蘭，2013年開發(fā)應(yīng)用了微生物自愈合修補(bǔ)砂漿，2015年在地下停車場應(yīng)用了微生物自愈合混凝土進(jìn)行微裂縫修復(fù)，2016年在噴射砂漿中融合了微生物自愈合技術(shù)等。在中國，2015年錢春香率先在國內(nèi)開展了微生物自愈合混凝土的工程實(shí)踐探索，在南水北調(diào)芒稻河船閘擴(kuò)容工程中使用了微生物自愈合混凝土，實(shí)現(xiàn)了工程交付前混凝土裂縫完全自愈合的建設(shè)要求。2019年在深圳前海隧道工程中，應(yīng)用了微膠囊技術(shù)。2020年錢春香教授團(tuán)隊(duì)再次將微生物自愈合混凝土成功應(yīng)用于寧句城際軌道馬群站和南京麒麟門交通樞紐工程中，用了20天時(shí)間修復(fù)了0.2mm和0.3mm寬的裂縫。

芒稻河船閘擴(kuò)容工程

深圳前海隧道工程(Wang X, Huang Y, Huang Y, et al. 2019.)

麒麟門交通樞紐

在系統(tǒng)介紹混凝土自愈合技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，錢春香教授展望了自愈合混凝土技術(shù)的未來方向。對于微膠囊自愈合技術(shù)，應(yīng)開展微膠囊尺寸與摻量優(yōu)化、膠粘劑流變學(xué)等基礎(chǔ)研究，推動(dòng)載體制備與生產(chǎn)成本降低，為適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境開展自愈合專用膠粘劑研究。對于微生物自愈合技術(shù)，應(yīng)更加注重增強(qiáng)礦化微生物對生存環(huán)境的耐受性，延長其在混凝土中的存活和作用時(shí)間；降低微生物對水分的依耐性，提升混凝土在水分不足環(huán)境中的修復(fù)效果；提高微生物礦化沉積物在裂縫的填充深度和密實(shí)度，降低微生物混凝土的成本，不斷推進(jìn)工程化與應(yīng)用。

最后，錢春香教授表示，混凝土是世界范圍內(nèi)用量最大的人造材料，未來仍是主要的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)材料。結(jié)構(gòu)與功能一體化的工程材料是社會(huì)發(fā)展的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)。具備裂縫自修復(fù)功能的新型混凝土在面向未來基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)上，優(yōu)勢巨大。根據(jù)有關(guān)機(jī)構(gòu)預(yù)測，2025年全球自修復(fù)混凝土市場將達(dá)到13.75億美元，亞太地區(qū)的市場持有率為29.6%，中國將是亞太地區(qū)自修復(fù)混凝土技術(shù)的主要開發(fā)者和重要市場。

第二主講嘉賓是中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)超高性能水泥基材料與工程技術(shù)分會(huì)秘書長。趙筠先生長期從事超高性能混凝土的技術(shù)推廣、工程應(yīng)用工作。先后在挪威?？霞瘓F(tuán)、邁圖高新材料集團(tuán)等國際化公司擔(dān)任技術(shù)經(jīng)理、技術(shù)總監(jiān)等職務(wù)。趙筠先生擁有國際化視野，他聚焦國內(nèi)外高強(qiáng)、高性能混凝土以及超高性能混凝土的研究成果，在國際超高性能混凝土先進(jìn)理念與創(chuàng)新技術(shù)的介紹、知識普及和推廣應(yīng)用等方面做出了較大貢獻(xiàn)。

趙筠先生

徐永模會(huì)長為趙筠先生頒發(fā)主講嘉賓榮譽(yù)證書

趙筠先生對UHPC材料的起源、發(fā)展和應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了全方位、全景式、系統(tǒng)性的回顧和介紹。

國內(nèi)外UHPC發(fā)展史

UHPC的發(fā)明緣起于提升水泥基材料強(qiáng)度的研究探索，1973年丹麥學(xué)者Hans Henrik Bache 教授提出了DSP理論，在1979年發(fā)明了“新混凝土”（即UHPC）。上世紀(jì)八十年代，他通過大量研究探索，提出以提升混凝土密實(shí)度為基礎(chǔ)有效發(fā)揮纖維、鋼筋抗拉強(qiáng)度，制造CRC（Compact Reinforced Composite密實(shí)增強(qiáng)復(fù)合材料)工程材料的創(chuàng)新理念，并搭建了UHPC和CRC（R-UHPC）材料的性能框架體系，直到今天仍然具有很好的指導(dǎo)意義。早期的UHPC應(yīng)用，包括維修加固、機(jī)器部件生產(chǎn)、濕接縫結(jié)構(gòu)連接、預(yù)制排水溝蓋板、陽臺、隧道管片、工業(yè)耐磨耐熱產(chǎn)品等。

早期UHPC應(yīng)用（丹麥）

UHPC產(chǎn)業(yè)化——預(yù)制CRC構(gòu)件（丹麥）

隨著世界越來越多的國家開展UHPC的研發(fā)工作，配制理論逐步完善，UHPC材料技術(shù)得到了進(jìn)一步發(fā)展，UHPC工作性得到顯著提升，UHPC使用原材料向多樣化方面發(fā)展。在纖維增強(qiáng)材料方面，拓展了非金屬纖維的應(yīng)用，并努力提升金屬纖維的使用效率；在UHPC基體材料方面，提升材料強(qiáng)度，提升彈性模量，提升UHPC材料和結(jié)構(gòu)耐高溫性能，采取低收縮水泥、內(nèi)養(yǎng)護(hù)、減縮劑、膨脹劑等方法降低UHPC的收縮。

UHPC材料的性能特點(diǎn)，在工作性方面，可以獲得適合施工需要的施工性能——自密實(shí)或需要的稠度，可泵送，可澆筑成型復(fù)雜形狀，可噴射施工，可預(yù)制或現(xiàn)澆成型薄壁、薄層結(jié)構(gòu)。在力學(xué)性能方面，UHPC與普通混凝土、纖維增強(qiáng)混凝土等相比，抗拉性能和韌性實(shí)現(xiàn)了跨越式提升；可以與鋼筋、混凝土牢固粘結(jié)，等等。與普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC的總孔隙率和毛細(xì)孔體積大幅度降低，滲透性降至非常低的水平，并奠定UHPC優(yōu)良耐久性的基礎(chǔ)，包括鋼筋、鋼纖維防銹保護(hù)能力、抗化學(xué)腐蝕和硫酸鹽侵蝕能力。此外，UHPC對凍融循環(huán)、堿骨料反應(yīng)、延遲鈣礬石生成等傳統(tǒng)混凝土耐久性損害有良好的免疫能力。UHPC的耐久性指標(biāo)是滲透性，通常用氯離子擴(kuò)散系數(shù)來表征，目前只有NEL方法適合測量UHPC基體的抗?jié)B性。UHPC的耐久性還存在一些問題，一是外露鋼纖維的銹蝕問題，可采用非金屬纖維或奧氏體合金不銹鋼纖維避免銹蝕銹斑影響美觀；二是未水化水泥問題，未水化水泥后期水化可以自愈合裂縫，但是是否會(huì)在高溫泡水狀態(tài)導(dǎo)致膨脹并危害耐久性?尚需對其膨脹原因及發(fā)生條件進(jìn)行進(jìn)一步的研究。在裂縫的影響方面，為保證UHPC結(jié)構(gòu)的耐久性，應(yīng)控制裂縫寬度小于0.05mm；對于UHPC受高約束程度的應(yīng)用，如鋼橋面、混凝土結(jié)構(gòu)維修加固等情況時(shí)，應(yīng)使用高應(yīng)變硬化UHPC（UT07或UT10等級）。

創(chuàng)新概念設(shè)計(jì)(法國/中國)

本世紀(jì)初，法國開啟和創(chuàng)新了多種UHPC的橋梁應(yīng)用，至今UHPC在橋梁應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展創(chuàng)新仍然十分活躍。馬來西亞發(fā)展多種結(jié)構(gòu)的UHPC公路橋梁，中國發(fā)展了鋼-UHPC復(fù)合輕型橋面、斜拉和懸索橋鋼-UHPC組合梁等，韓國建造了UHPCπ型梁斜拉橋，以及輕量化UHPC橋面板、結(jié)構(gòu)各異的UHPC人行橋，等等。目前，中國正在建造102m跨徑的UHPC公路橋箱梁和56m跨徑的UHPC高鐵箱梁。美國在設(shè)計(jì)發(fā)展76.2 m 跨徑無預(yù)應(yīng)力UHPC梁和94.1m跨徑預(yù)應(yīng)力UHPC梁。

UHPC“三明治”墻板(丹麥)

UHPC在建筑領(lǐng)域也有多種應(yīng)用，如承重、使用功能與裝飾一體化的樓梯、陽臺，輕量化“三明治”保溫墻板，裝配式框架結(jié)構(gòu)PC構(gòu)件用UHPC濕接縫連接，無柱懸挑UHPC頂棚，預(yù)制UHPC房屋單元，等等。

UHPC解決加固難題(英國/法國，中國)

在既有建筑維修和加固方面，R-UHPC（鋼筋超高性能混凝土）可承擔(dān)多項(xiàng)功能，如提高強(qiáng)度與剛度、耐久保護(hù)、抗?jié)B和防水、耐磨等。

市政公用設(shè)施(中國)

此外，UHPC已經(jīng)被應(yīng)用于許多其他的場景中，如市政公用設(shè)施、電力管廊、管廊隔倉板、地鐵疏散通道、水利工程、廣告桿、電信發(fā)射塔、家具街具、衛(wèi)生潔具，等等。UHPC預(yù)制構(gòu)件的成型技術(shù)呈現(xiàn)出多種技術(shù)并行發(fā)展的局面，如2017年完成的法國蒙彼利埃新高鐵站預(yù)制UHPC屋面構(gòu)件采用了復(fù)雜的曲面模具，瑞士成型UHPFRC輕舟結(jié)構(gòu)采用了3D打印的塑料模型等。

最后，趙筠先生指出，UHPC作為新一代工程材料，同時(shí)蘊(yùn)涵著機(jī)遇和挑戰(zhàn)。UHPC突破了水泥基材料性能和應(yīng)用領(lǐng)域的很多極限，它可以建造輕巧優(yōu)美、堅(jiān)固韌性、耐久耐用的結(jié)構(gòu)，無論是結(jié)構(gòu)材料組分的復(fù)合，水泥基材料本身的性能、與纖維增強(qiáng)材料的復(fù)合、還是與其他結(jié)構(gòu)材料的“組合”，都打開了許多發(fā)展空間，為我們創(chuàng)新者提供了更大的想象空間。這需要科學(xué)系統(tǒng)深入的材料研究為基礎(chǔ)，需要嚴(yán)謹(jǐn)扎實(shí)的結(jié)構(gòu)性能試驗(yàn)、生產(chǎn)施工實(shí)踐為技術(shù)支撐，需要材料工程師、結(jié)構(gòu)工程師和建筑師的通力合作。目前UHPC在各種工程上的應(yīng)用還只是開始，期望UHPC能夠得到國內(nèi)廣大同行的重視，在現(xiàn)有研究應(yīng)用成果的基礎(chǔ)上，自主開展系統(tǒng)深入的高水平研究與應(yīng)用，開發(fā)利用UHPC價(jià)值和挖掘UHPC潛力。

在中國混凝土大講堂的閉幕式上，中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)執(zhí)行會(huì)長徐永模表示，中國混凝土大講堂致力于打造國內(nèi)外最高水平的學(xué)術(shù)和技術(shù)交流平臺。在未來，中國混凝土與水泥制品協(xié)會(huì)將打通混凝土產(chǎn)業(yè)的上下游，將混凝土界的最新成果介紹給建筑師和工程師們，邀請他們參與混凝土最新技術(shù)的應(yīng)用和推廣。本著公益性原則，第三屆中國混凝土大講堂對混凝土行業(yè)所有從業(yè)人員、青年學(xué)生和研究人員免費(fèi)開放，并取得了圓滿成功。第四屆中國混凝土大講堂將于2021年上半年舉辦。