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2020年度中國混凝土與水泥制品協(xié)會

混凝土科學(xué)技術(shù)獎?基礎(chǔ)理論類

獲獎項目展示

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

本項目從UHPC的優(yōu)化設(shè)計出發(fā)，提出了基于全材料尺度的UHPC最緊密堆積設(shè)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(shè)計模型等。然后，通過引入再生骨料、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，又實現(xiàn)了對固體廢棄物的回收利用，同時降低了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(shè)計理念與方法的支撐下，研究團隊實現(xiàn)了UHPC材料性能的調(diào)控：1）研究了該混凝土在澆筑過程中纖維、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體系中的纖維動力學(xué)問題，并建立了纖維細觀參數(shù)與UHPC宏觀性能之間的關(guān)系模型；2）系統(tǒng)地研究了UHPC自收縮的驅(qū)動機制，并通過研究外加劑、預(yù)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(wěn)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力學(xué)模型，并通過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(shè)計理論，基于干堆積密度和濕堆積密度的不同存在形式，構(gòu)建了UHPC優(yōu)化設(shè)計基礎(chǔ)模型，并開發(fā)出能適應(yīng)具有不同物理化學(xué)特征的原材料的智能化UHPC配合比設(shè)計軟件。

針對成果二：現(xiàn)階段高水泥用量帶來的高能耗與高成本問題制約了其工程化應(yīng)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(shè)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(shè)計理論，例如用高摻量磷渣取代水泥制備UHPC，實現(xiàn)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力學(xué)過程研究課題研究了UHPC中纖維動力學(xué)過程及調(diào)控機制，創(chuàng)新性的利用計算機圖像分析工具對纖維進行去向分析，驗證了新鮮UHPC中影響纖維取向及分布的關(guān)鍵因素。同時，該申報項目中的纖維細觀參數(shù)與混凝土宏觀性能關(guān)系研究課題在纖維微觀層面的研究闡明了纖維含量對UHPC宏觀性能和微觀結(jié)構(gòu)的影響，為后續(xù)該方向的研究提供了一定的指導(dǎo)。

針對成果四：UHPC的高膠凝材料用量和低水膠比導(dǎo)致了UHPC的體積不穩(wěn)定性，該申報項目中的體積穩(wěn)定性優(yōu)化設(shè)計研究課題研究了UHPC體積穩(wěn)定性的驅(qū)動機理，采用了一種新型輕骨料系統(tǒng)用來解決混凝土的收縮問題，基于多孔輕骨料的載體效應(yīng)，并利用響應(yīng)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(wěn)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(jié)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(jié)論，為后續(xù)研究奠定了理論基礎(chǔ)和數(shù)據(jù)支撐。

武漢理工大學(xué)是教育部直屬全國重點大學(xué)，是首批列入國家“211工程”和“雙一流”建設(shè)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)與工程國家重點學(xué)科，超高性能混凝土（UHPC）研究團隊圍繞著建筑材料低環(huán)境負荷制備、功能設(shè)計與調(diào)控、服役行為與延壽原理、可循環(huán)設(shè)計四個方面開展了一系列基礎(chǔ)和應(yīng)用基礎(chǔ)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實驗室研究員、博士研究生導(dǎo)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UHPC分會專家委員、中國硅酸鹽協(xié)會固廢分會青年委員、廣東省先進水泥基材料工程技術(shù)研究中心副主任、兼技術(shù)委員會委員。其長期致力于超高性能纖維增強復(fù)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，在先進功能材料的設(shè)計、理論分析與數(shù)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、十三五重點研發(fā)計劃、廣東省中山市重大科技專項等國家級、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(nèi)外頂級期刊上發(fā)表各類學(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(shù)近3000次，發(fā)表ESI高被引論文1篇，3篇論文進入到本研究領(lǐng)域頂級期刊的熱門下載序列，先后20余次受邀在國際、國內(nèi)學(xué)術(shù)會議上做口頭報告并擔任分會場主席，已出版英文學(xué)術(shù)專著1部，獲得國家授權(quán)專利6項，軟件著作權(quán)3項。參與完成了我國第一個UHPC海洋漂浮平臺和第一個深遠海建筑材料暴露實驗站的建設(shè)。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。