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            協會動態
            第三屆中國混凝土大講堂深度報道
            時間:2020-12-08    來源:CCPA科技服務部    分享:
            ?2020年12月6日,由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會聯合主辦的第三屆中國混凝土大講堂于南京國際博覽會議中心如約開講。

            2020年12月6日,由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會聯合主辦的第三屆中國混凝土大講堂于南京國際博覽會議中心如約開講。

            會議現場

            本次混凝土大講堂經專家委員會推薦和提名,確定報告主題內容為高性能與超高性能混凝土材料的創新發展,邀請在此領域做出突出貢獻的2位學者和專家開展學術與技術交流,分別是東南大學特聘教授錢春香教授和中國混凝土與水泥制品協會超高性能水泥基材料與工程技術分會趙筠秘書長。

            徐永模會長主持并致辭

            中國混凝土與水泥制品協會執行會長徐永模主持大會并致辭。他表示,中國混凝土大講堂創辦伊始,就緊緊圍繞國內外混凝土材料與工程發展的重大需求,聚焦混凝土材料科學研究的前沿領域和最高水平,以引領和促進我國混凝土科學技術的創新發展。

            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重限制了混凝土結構的耐久性能和使用壽命。旨在長效解決裂縫問題的自防護混凝土已成為國際工程材料領域的研究熱點。通過模擬生物組織創傷自修復機理,將光纖、液芯纖維、形狀記憶合金、微生物修復劑或聚合物等膠粘劑與混凝土相復合,使混凝土材料對開裂形成應激反應,實現損傷自診斷和裂縫自修復,從而達到對混凝土結構的自防護。自防護混凝土是現代混凝土技術發展的高級階段,將有助于突破傳統混凝土材料稟賦,集成結構與多功能于一體的自防護混凝土材料是支撐國家新型基礎建設戰略的關鍵工程材料之一。與此同時,超高性能混凝土在基礎研發、生產技術、工藝裝備、產品質量和工程應用等多個方面持續取得進展。應用于國內外不同行業領域和場景的工程創新層出不窮,標志著超高性能混凝土材料已經得到市場的認可,邁入了規?;?、產業化的發展階段。

            第一位主講嘉賓是東南大學錢春香教授。作為我國建筑材料微生物礦化技術領域的開拓者,她首創和發展了多類微生物自防護工程材料,形成了廣泛的國際影響力。通過“產-學-研-用”全鏈條融合創新,將以自修復混凝土為代表的自防護材料和其他高性能混凝土,成功應用于高鐵、水利、隧道、橋梁、地鐵、機場等工程,產生了良好的社會和經濟效益。研究成果獲得國家科技進步二等獎2項、省部級一、二等獎5項。錢春香教授在混凝土大講堂上介紹了自防護混凝土在裂縫自診斷、自修復研究方面的最新進展。

            錢春香教授
            徐永模會長為錢春香教授頒發主講嘉賓榮譽證書

            錢春香教授從自然界硬質損傷自愈合出發,詳細介紹了皮膚、骨骼、肢體、植物、巖鹽等動物、植物和非生命體的自愈合現象。延伸分享了人造材料的自愈合機理,如開環易位聚合、分子內和分子間的交聯、微相分離、動態共價鍵重塑、多重氫鍵結合、分子間范德華力作用、形狀記憶效應、振蕩磁場下超磁性納米粒子磁熱轉化、晶體物質二硫鍵重排等。

            以自然現象為靈感,針對混凝土材料,在系統闡述裂縫形成及危害的基礎上,錢春香教授重點介紹了混凝土材料的自愈合研究歷程。澆筑密實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左右就會被滲穿。由此可見,裂縫對結構整體性的破壞和防水功能的損毀是極其嚴重的。同時,裂縫也會加速氯離子、硫酸根離子、二氧化碳傳輸,進一步劣化混凝土材料,嚴重降低其耐久性能。

            隧道混凝土開裂滲漏現象(圖片來源于網絡)

            裂縫對混凝土材料的負面影響是多方面的,開裂后隔聲、傳熱等性能也會極大衰減。因此,裂后混凝土必須采取必要措施進行修復,而當前修復方法主要以被動修復為主,例如表面修補法、灌漿法、混凝土置換法、填充法、結構補強法等,但日趨復雜的混凝土結構增加了開裂位置的隱蔽性,眾多基礎設施也不具備值守條件,裂縫難以及時探查,因此重大基礎設施急需自愈合技術。

            混凝土裂縫自愈合研究最早可追溯到1836年,法國科學院學者揭示了水泥水化滲出的氫氧化鈣碳化愈合裂縫的機理。自此,混凝土自愈合研究陸續開展。1980年,中國首次在上海地鐵工程修建中引進了水泥基滲透結晶防水自愈合材料;2001年,美國南達科他礦業技術學院最先提出把微生物礦化用于混凝土裂縫修復;2005年,錢春香教授在國內開展了第一個微生物自修復技術的國家自然科學基金項目研究,內容包括碳酸鹽礦化菌誘導碳酸鈣沉積機理以及碳酸鈣結晶動力學、形態學,并成功應用于水泥基材料表面缺陷修復。截至目前,已有63個國家進行了混凝土自愈合研究,是現代混凝土技術的熱點之一。

            裂縫自愈合研究—國家和文獻量

            根據機理和形式,將混凝土裂縫自診斷、自愈合技術歸納為9類,包括原生自愈合、滲透結晶自愈合、高吸水性聚合物自愈合、電化學沉積自愈合、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、滲透結晶法的機理都屬于化學作用;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,自修復劑與混凝土不發生直接接觸;微生物礦化法屬于生物化學作用。

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

            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,顯著提高抗滲水能力。但成本較高,對混凝土強度有負面影響。

            高吸水性聚合物在混凝土中的賦存狀態及裂縫修復機理

            (圖片來源:H.X.D.Lee, et al, 2010)

            電化學沉積法利用電位差作用驅動離子產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。

            電化學沉積示意圖

            中空纖維混凝土損傷自愈合啟發于動物體的“毛細血管”受損自愈合現象,將中空纖維排布在混凝土基體中,當混凝土產生裂縫時,纖維中的修復劑流入裂縫后固化修復。

            微膠囊自愈合中微膠囊預埋于水泥基材料內部,混凝土開裂時,微膠囊被打開,包覆的化學物質釋放愈合裂縫。對于微膠囊技術的研究集中于壁材和負載修復劑的材料和制備工藝的研究。

            微膠囊組成

            微生物礦化法是當今國內外最熱門的混凝土自愈合技術,在拌和時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,水分和空氣進入裂縫激活芽孢,芽孢不斷萌發成為細胞,產生酶催化作用和礦化沉積,隨著礦化產物不斷增多,裂縫逐漸愈合。微生物礦化自愈合技術可有效修復寬度0.5mm以下裂縫,修復深度可達2cm,修復后混凝土的抗滲水性、抗氯離子滲透和對鋼筋的保護能力均大幅提高。微生物修復劑對混凝土凝結時間、拌合物密度、絕熱溫升、抗壓強度、應力應變關系無明顯影響。通過該技術可實現混凝土裂縫的自動感知和主動修復,應用潛力巨大。錢春香教授已帶領團隊開發了系列微生物修復劑及自修復混凝土生產工藝,編制了首部應用技術規程。

            微生物礦化法自愈合裂縫深度

            接下來,錢春香教授介紹了國內外自愈合混凝土的典型工程案例。在美國,1996年在世界范圍內首次開展了中空纖維自愈合混凝土在橋面混凝土中的應用;在日本,2011年在混凝土預制構件中應用了礦物增強原生自愈合技術;在荷蘭,2013年開發應用了微生物自愈合修補砂漿,2015年在地下停車場應用了微生物自愈合混凝土進行微裂縫修復,2016年在噴射砂漿中融合了微生物自愈合技術等。在中國,2015年錢春香率先在國內開展了微生物自愈合混凝土的工程實踐探索,在南水北調芒稻河船閘擴容工程中使用了微生物自愈合混凝土,實現了工程交付前混凝土裂縫完全自愈合的建設要求。2019年在深圳前海隧道工程中,應用了微膠囊技術。2020年錢春香教授團隊再次將微生物自愈合混凝土成功應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天時間修復了0.2mm和0.3mm寬的裂縫。

            芒稻河船閘擴容工程
            深圳前海隧道工程(Wang X, Huang Y, Huang Y, et al. 2019.)
            麒麟門交通樞紐

            在系統介紹混凝土自愈合技術發展現狀的基礎上,錢春香教授展望了自愈合混凝土技術的未來方向。對于微膠囊自愈合技術,應開展微膠囊尺寸與摻量優化、膠粘劑流變學等基礎研究,推動載體制備與生產成本降低,為適應復雜環境開展自愈合專用膠粘劑研究。對于微生物自愈合技術,應更加注重增強礦化微生物對生存環境的耐受性,延長其在混凝土中的存活和作用時間;降低微生物對水分的依耐性,提升混凝土在水分不足環境中的修復效果;提高微生物礦化沉積物在裂縫的填充深度和密實度,降低微生物混凝土的成本,不斷推進工程化與應用。

            最后,錢春香教授表示,混凝土是世界范圍內用量最大的人造材料,未來仍是主要的基礎設施建設材料。結構與功能一體化的工程材料是社會發展的物質基礎和先導。具備裂縫自修復功能的新型混凝土在面向未來基礎設施建設上,優勢巨大。根據有關機構預測,2025年全球自修復混凝土市場將達到13.75億美元,亞太地區的市場持有率為29.6%,中國將是亞太地區自修復混凝土技術的主要開發者和重要市場。

            第二主講嘉賓是中國混凝土與水泥制品協會超高性能水泥基材料與工程技術分會秘書長。趙筠先生長期從事超高性能混凝土的技術推廣、工程應用工作。先后在挪威??霞瘓F、邁圖高新材料集團等國際化公司擔任技術經理、技術總監等職務。趙筠先生擁有國際化視野,他聚焦國內外高強、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理念與創新技術的介紹、知識普及和推廣應用等方面做出了較大貢獻。

            趙筠先生
            徐永模會長為趙筠先生頒發主講嘉賓榮譽證書

            趙筠先生對UHPC材料的起源、發展和應用現狀進行了全方位、全景式、系統性的回顧和介紹。

            國內外UHPC發展史

            UHPC的發明緣起于提升水泥基材料強度的研究探索,1973年丹麥學者Hans Henrik Bache 教授提出了DSP理論,在1979年發明了“新混凝土”(即UHPC)。上世紀八十年代,他通過大量研究探索,提出以提升混凝土密實度為基礎有效發揮纖維、鋼筋抗拉強度,制造CRC(Compact Reinforced Composite密實增強復合材料)工程材料的創新理念,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意義。早期的UHPC應用,包括維修加固、機器部件生產、濕接縫結構連接、預制排水溝蓋板、陽臺、隧道管片、工業耐磨耐熱產品等。

            早期UHPC應用(丹麥)
            UHPC產業化——預制CRC構件(丹麥)

            隨著世界越來越多的國家開展UHPC的研發工作,配制理論逐步完善,UHPC材料技術得到了進一步發展,UHPC工作性得到顯著提升,UHPC使用原材料向多樣化方面發展。在纖維增強材料方面,拓展了非金屬纖維的應用,并努力提升金屬纖維的使用效率;在UHPC基體材料方面,提升材料強度,提升彈性模量,提升UHPC材料和結構耐高溫性能,采取低收縮水泥、內養護、減縮劑、膨脹劑等方法降低UHPC的收縮。

            UHPC材料的性能特點,在工作性方面,可以獲得適合施工需要的施工性能——自密實或需要的稠度,可泵送,可澆筑成型復雜形狀,可噴射施工,可預制或現澆成型薄壁、薄層結構。在力學性能方面,UHPC與普通混凝土、纖維增強混凝土等相比,抗拉性能和韌性實現了跨越式提升;可以與鋼筋、混凝土牢固粘結,等等。與普通混凝土和高性能混凝土相比,UHPC的總孔隙率和毛細孔體積大幅度降低,滲透性降至非常低的水平,并奠定UHPC優良耐久性的基礎,包括鋼筋、鋼纖維防銹保護能力、抗化學腐蝕和硫酸鹽侵蝕能力。此外,UHPC對凍融循環、堿骨料反應、延遲鈣礬石生成等傳統混凝土耐久性損害有良好的免疫能力。UHPC的耐久性指標是滲透性,通常用氯離子擴散系數來表征,目前只有NEL方法適合測量UHPC基體的抗滲性。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,但是是否會在高溫泡水狀態導致膨脹并危害耐久性?尚需對其膨脹原因及發生條件進行進一步的研究。在裂縫的影響方面,為保證UHPC結構的耐久性,應控制裂縫寬度小于0.05mm;對于UHPC受高約束程度的應用,如鋼橋面、混凝土結構維修加固等情況時,應使用高應變硬化UHPC(UT07或UT10等級)。

            創新概念設計(法國/中國)

            本世紀初,法國開啟和創新了多種UHPC的橋梁應用,至今UHPC在橋梁應用技術的發展創新仍然十分活躍。馬來西亞發展多種結構的UHPC公路橋梁,中國發展了鋼-UHPC復合輕型橋面、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、結構各異的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。美國在設計發展76.2 m 跨徑無預應力UHPC梁和94.1m跨徑預應力UHPC梁。

            UHPC“三明治”墻板(丹麥)

            UHPC在建筑領域也有多種應用,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,裝配式框架結構PC構件用UHPC濕接縫連接,無柱懸挑UHPC頂棚,預制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)可承擔多項功能,如提高強度與剛度、耐久保護、抗滲和防水、耐磨等。

            市政公用設施(中國)

            此外,UHPC已經被應用于許多其他的場景中,如市政公用設施、電力管廊、管廊隔倉板、地鐵疏散通道、水利工程、廣告桿、電信發射塔、家具街具、衛生潔具,等等。UHPC預制構件的成型技術呈現出多種技術并行發展的局面,如2017年完成的法國蒙彼利埃新高鐵站預制UHPC屋面構件采用了復雜的曲面模具,瑞士成型UHPFRC輕舟結構采用了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,同時蘊涵著機遇和挑戰。UHPC突破了水泥基材料性能和應用領域的很多極限,它可以建造輕巧優美、堅固韌性、耐久耐用的結構,無論是結構材料組分的復合,水泥基材料本身的性能、與纖維增強材料的復合、還是與其他結構材料的“組合”,都打開了許多發展空間,為我們創新者提供了更大的想象空間。這需要科學系統深入的材料研究為基礎,需要嚴謹扎實的結構性能試驗、生產施工實踐為技術支撐,需要材料工程師、結構工程師和建筑師的通力合作。目前UHPC在各種工程上的應用還只是開始,期望UHPC能夠得到國內廣大同行的重視,在現有研究應用成果的基礎上,自主開展系統深入的高水平研究與應用,開發利用UHPC價值和挖掘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會執行會長徐永模表示,中國混凝土大講堂致力于打造國內外最高水平的學術和技術交流平臺。在未來,中國混凝土與水泥制品協會將打通混凝土產業的上下游,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的應用和推廣。本著公益性原則,第三屆中國混凝土大講堂對混凝土行業所有從業人員、青年學生和研究人員免費開放,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。

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