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2020年度中國混凝土與水泥制品協會

混凝土科學技術獎?基礎理論類

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，容易導致制備出來的混凝土存在勻質性不好、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的優化設計出發，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，并建立了相關人工神經網絡模型、和D-優化設計模型等。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即保證了其優異的性能，又實現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，研究團隊實現了UHPC材料性能的調控：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作用，闡明了UHPC體系中的纖維動力學問題，并建立了纖維細觀參數與UHPC宏觀性能之間的關系模型；2）系統地研究了UHPC自收縮的驅動機制，并通過研究外加劑、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、力學性能和體積穩定性的UHPC；3）研究了嚴酷環境下UHPC耐久性能提升技術，建立了海洋環境下的離子侵蝕水化動力學模型，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優化設計基礎模型，并開發出能適應具有不同物理化學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的高能耗與高成本問題制約了其工程化應用，也對環境產生巨大影響，該申報項目中的生態UHPC的優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力學過程研究課題研究了UHPC中纖維動力學過程及調控機制，創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鍵因素。同時，該申報項目中的纖維細觀參數與混凝土宏觀性能關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優化設計研究課題研究了UHPC體積穩定性的驅動機理，采用了一種新型輕骨料系統用來解決混凝土的收縮問題，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在海洋環境下抗電化學腐蝕性能的最佳摻量、1%C-LDHs提UHPC在海洋環境下的耐久性、海洋環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。

武漢理工大學是教育部直屬全國重點大學，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。依托本校材料科學與工程國家重點學科，超高性能混凝土（UHPC）研究團隊圍繞著建筑材料低環境負荷制備、功能設計與調控、服役行為與延壽原理、可循環設計四個方面開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硅酸鹽建筑材料國家重點實驗室研究員、博士研究生導師，荷蘭埃因霍溫理工大學博士、博士后、客座研究員，中國混凝土與水泥制品協會UHPC分會專家委員、中國硅酸鹽協會固廢分會青年委員、廣東省先進水泥基材料工程技術研究中心副主任、兼技術委員會委員。其長期致力于超高性能纖維增強復合材料、海洋功能建筑材料、生態綠色建筑材料等方面的研究工作，在先進功能材料的設計、理論分析與數值模擬方面積累了大量的經驗。迄今為止，主持和參與包括國家自然科學基金、軍工863計劃、國家科技支撐計劃、十三五重點研發計劃、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, 硅酸鹽學報等國內外頂級期刊上發表各類學術論文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，發表ESI高被引論文1篇，3篇論文進入到本研究領域頂級期刊的熱門下載序列，先后20余次受邀在國際、國內學術會議上做口頭報告并擔任分會場主席，已出版英文學術專著1部，獲得國家授權專利6項，軟件著作權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。以第一完成人身份獲2020年度中國混凝土與水泥制品協會混凝土科學技術二等獎。2021年入選斯坦福大學發布的全球Top2%科學家年度名單。