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科技奖获奖项目系列报道② | 让废弃混凝土物尽其用

来源:新萄京娱乐网址(官网)  撰稿人:  发布时间:2021年07月13日 浏览:
摘要:

十几年来,《再生混凝土多尺度力学行为与调控》项目研究团队以肖建庄教授和潘智生(CS Poon)教授为核心,丁陶、段珍华等优秀青年教师为骨干,以提升建筑产业可持续性、实现建筑与环境和谐共处为最终目标,以再生混凝土的材料、结构性能及其工程应用为切入点,进行深入而系统的科学研究,共发表相关SCI论文800余篇,肖建庄获国家杰出青年科学基金资助,潘智生受聘教育部长江学者讲座教授;主编、参编多部国家、地区再生混凝土相关规范,构建了再生骨料混凝土结构设计技术体系,实现再生混凝土标准化应用;推广再生混凝土应用,助力碳达峰、碳中和,实现了工程经济、环境、社会效益的同步提升。

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肖建庄团队部分成员参加学术交流会(2020年)

  项目介绍《再生混凝土多尺度力学行为与调控》项目在国家自然科学基金、科技部重点研发计划、教育部新世纪优秀人才计划、上海市科委、香港创新及科技基金和香港优配研究金等多个项目持续资助下,同济大学和香港理工大学紧密合作,围绕发现的科学问题,对再生混凝土多尺度力学行为与性能调控等内容进行了系统研究,揭示了再生混凝土多尺度力学性能发展规律,提出了调控方法,提高了再生混凝土力学性能、耐久性能和抗震防灾性能,构建了从材料到结构、从微观到宏观的多尺度下再生混凝土理论体系,提出了改善再生混凝土性能的新方法,实现了再生混凝土材料性能有效控制,解决了因再生骨料品质较低、离散性大而导致再生混凝土应用受限的难题,为其安全应用提供了理论依据。团队情况

  十几年来,《再生混凝土多尺度力学行为与调控》项目研究团队以肖建庄教授和潘智生(CS Poon)教授为核心,丁陶、段珍华等优秀青年教师为骨干,以提升建筑产业可持续性、实现建筑与环境和谐共处为最终目标,以再生混凝土的材料、结构性能及其工程应用为切入点,进行深入而系统的科学研究,共发表相关SCI论文800余篇,肖建庄获国家杰出青年科学基金资助,潘智生受聘教育部长江学者讲座教授;主编、参编多部国家、地区再生混凝土相关规范,构建了再生骨料混凝土结构设计技术体系,实现再生混凝土标准化应用;推广再生混凝土应用,助力碳达峰、碳中和,实现了工程经济、环境、社会效益的同步提升。

再生混凝土结构高层建筑(2016年竣工)

  在Scopus数据库中以“再生混凝土”为关键词,同济大学教授肖建庄和香港理工大学教授潘智生发表的论文总数列全球第1位。在谈及为何扎根于“再生混凝土”的课题研究时,肖建庄表示,当下,我国每年排放建筑固废约30亿吨以上,其中含有大量废弃混凝土,如何资源化利用废弃混凝土,让其再次成为建筑用材的主力军,是实现我国可持续发展战略的有效途径,也是我国实现碳达峰、碳中和目标的有效手段之一。多年来,肖建庄和潘智生从未停止过对再生混凝土的研究,其发表的论文被国际混凝土研究领域著名学者多次引用并高度评价。肖建庄连续6年入选Elsevier“中国高被引学者”榜单,肖建庄和潘智生均是Elsevier发布的“全球土木工程学科高被引学者”。同时,由肖建庄、潘智生、丁陶等人共同完成的《再生混凝土多尺度力学行为与调控》项目获得2020年度新萄京娱乐网址·中国硅酸盐学会建筑材料科学技术奖基础研究类一等奖。

  对再生混凝土的研究到底会给行业带来哪些影响?相较于传统天然骨料混凝土,其性能有哪些不同?在实际应用中又会有哪些挑战与机遇?带着这些疑问,记者采访了《再生混凝土多尺度力学行为与调控》项目第一完成人、同济大学教授肖建庄。

全再生混凝土科普馆(2021年在建)

  变废料为原料

  我国每年的废弃混凝土量大面广,对环境和生态影响巨大。在肖建庄看来,如果大量的废弃混凝土不能正确资源化处置,光是运输、填埋这些建筑固废就要消耗极多的能源和土地资源,造成严重的环境污染和社会问题。一方面,国家经济和社会的发展对废弃混凝土资源化有着巨大需求。随着建筑业的快速发展,砂石的需求量越来越大。我国混凝土行业每年约消耗天然砂石50亿吨,并逐年上升。天然资源日趋紧张甚至濒临枯竭,供需缺口巨大。另一方面,随着我国社会经济发展与城镇化进程的加快,由于建筑施工、改造修缮和拆除等产生的废弃混凝土排放量迅速增加,已造成严重的环境和生态问题,破坏了城乡居民的生活环境,在土地和空间紧张的大城市这一情况更加严峻。若不回收利用,既不符合“节能减排”的大政方针,又严重阻碍国家“无废城市”建设。

  因此,厘清废弃混凝土再生循环利用的基础问题,利用再生骨料科学制备再生混凝土,是解决废弃混凝土问题的最有效措施。

  但是难题也随之而来,肖建庄表示,相比天然骨料混凝土,再生骨料表面附着大量多孔老砂浆,致使其性能劣于天然骨料;同时,由于再生骨料性能存在时间和空间的变异性,使得所制备再生混凝土的胶凝和骨料体系更加复杂,若不进行专门的、系统的科学研究和工程检验,则无法对再生混凝土结构进行设计,也就无法保证对结构的安全、适用、耐久的要求,致使再生混凝土的应用受到了严格限制。

  如何破局?如何啃下这块“硬骨头”?

  实验—研究—再实验。十年如一日,肖建庄带领他的团队构建了从材料到结构、从微观到宏观的多尺度下再生混凝土理论体系,提出了改善再生混凝土性能的新方法,实现了再生混凝土材料性能有效控制,解决了因再生骨料品质较低、离散性较大而导致再生混凝土应用受限的难题。

  回想起整个项目的研发过程,肖建庄感触颇深。他表示,最大的困难就是科学研究和产业推广。再生混凝土性能的波动性,导致结构性能的可靠度极难估计,也就是再生混凝土结构安全问题的来源,其根源在于再生混凝土材料性能影响因素多、细微观结构复杂、变异性大。针对这一问题,首先,要从理论和劣化机理的角度出发,从细微观到宏观,从多个尺度揭示再生混凝土性能波动性的来源及诸多因素的影响机理,提出对应的改性手段,提升性能、降低离散性;并通过大量试验研究,标定了再生混凝土细微观各相的物理性能,并定量各因素对再生混凝土性能的影响;最终,通过可靠度方法,分析了再生混凝土结构在整个生命周期中的可靠度指标时变规律,以保障再生混凝土结构在整个服役生命周期内的安全可靠。

  而在技术产业化的过程中,从工程设计、监理到验收几个环节仍存在一定程度上的困难,往往首先需要得到投资方和业主的认可。首先,第一步进行技术产业落地,研发配套的装置和设备,保证工地用的再生混凝土性能和实验室中得到的试验结果吻合,并结合科学研究和工程实践,主编、参编了多部再生混凝土设计、监理到验收各个环节的标准,为再生混凝土应用保驾护航;其次,努力建设示范工程,参与结构设计、施工、使用、维护、检测的各个方面,并通过结构健康监测,时刻关注结构安全性能的变化,目前最高已建设12层高层再生混凝土框架-剪力墙结构建筑,向业内专家展示再生混凝土的安全性能;最后,要多科普、多宣传、多算账,用数字说话,让业主和投资方认可再生混凝土的经济和环境优势。

  落地生根

  肖建庄带领着他的团队,通过对再生混凝土多尺度力学行为与性能调控的系统研究,厘清了再生混凝土材料性能劣化机理,提高了再生混凝土性能及稳定性;建立了再生混凝土材料力学行为模型,为复杂受力状态下的再生混凝土安全精细化分析奠定了应用理论基础,为再生混凝土结构分析和设计方法提供依据;发展了再生混凝土材料应用安全性能调控方法,保障再生混凝土结构在相同设计水准下达到与天然骨料混凝土服役性能相当。

  多年的研究获得了丰硕的研究成果。基于该项研究,第一完成人肖建庄获国家杰出青年科学基金,第二完成人潘智生被选为教育部长江学者讲座教授;成果指导编制多部国家规范和行业标准,入选本科生和研究生教材,实质性推动了该领域的学科发展。

  同时,项目成果指导了多个再生混凝土结构的精细化分析,成功用于国内第一幢再生混凝土高层建筑结构设计,为再生混凝土安全高效应用提供了应用理论基础。

  如今,项目的运用实施效果良好,成果转化每年产值超过10亿元,已在北京、上海、河南等全国大多数省和自治区、直辖市建成生产线,成果辐射至美国、日本、英国等发达国家及巴基斯坦等“一带一路”沿线国家,受到合作伙伴的高度好评。

  肖建庄说,现有的成果让我们更多的了解再生混凝土材料和结构性能规律,相当于已配置好了颜料、学习了构图方法,接下来就应该用画笔描绘更广阔、更绿色的发展。在现有研究和产业基础之上,下一步计划在“高端”和“低端”两个方向,除了作为主要建筑材料直接应用于建筑结构外,一方面计划利用再生骨料吸水、释水规律,将再生混凝土应用于3D打印领域,初步的研究结果表明,使用再生骨料可获得更长的打印窗口、更好的打印性能;另一方面,计划利用再生骨料多孔、再生混凝土阻尼较高的特征,将再生混凝土广泛应用于路面、路基、房屋地基等有振动控制要求的工程中,作为结构-功能材料使用。

  

责任编辑:单建庆
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