水泥 第四届中国混凝土大讲堂于南京国际博览会议中心成功召开
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|2022年8月7日，由中国混凝土与水泥制品协会、中国硅酸盐学会共同主办的中国混凝土大讲堂在南京国际博览会议中心成功举办。
▲第四届中国混凝土大讲堂会场
本次具体讲座经专家委员会推荐提名，选派两位国际知名专家学者对低碳混凝土和超高性能混凝土材料及工程应用技术进行学术研究，融合国内外前沿研究成果工程应用进展。 用技术沟通。 这两位专家学者分别是东南大学材料科学与工程学院教授、国家杰出青年基金获得者、“长江学者”特聘教授、享受国家“政府特殊津贴”专家刘家平。让·马克·韦尔先生是法国国家注册建筑师、DPLG工程师、C&E建筑设计与工程咨询公司创始人、法国巴黎高等工业大学终身教授。法国国家城市与区域建筑学院，蒙特利尔教育学院和利马天主教大学客座教授。
▲中国硅酸盐学会常务副理事长金占平致欢迎辞
第四届中国混凝土大讲堂由中国混凝土与水泥制品协会副秘书长陈宇主持，中国硅酸盐学会常务副理事长金占平致欢迎辞。 金占平表示，水泥混凝土作为世界上用量最大的人工配制材料，对推动人类社会进步和经济发展发挥着重要作用。 中国混凝土大讲堂由中国混凝土与水泥制品协会和中国硅酸盐学会联合发起。 每年都会邀请两位混凝土材料领域的知名学者围绕混凝土材料的前沿和工程应用的重大需求进行演讲，让大家了解国内外的问题。 混凝土材料及工程应用前沿领域取得重大进展，助推我国混凝土科技创新发展。
本次中国混凝土讲座继续关注国内外混凝土材料与工程领域的重要发展趋势。 自2020年9月我国明确提出“双碳”战略发展目标以来，发展绿色环保低碳混凝土已成为我国乃至国际工程材料领域的研究热点。 同时，超高性能混凝土已成为国际建筑领域最具创新性的工程材料之一。 其在桥梁、建筑、维修加固等领域的工程应用已初具规模。 材料、设计、施工的标准规范技术体系逐步建立，正在形成完整的产业链。
第一位演讲嘉宾是刘家平院士。 刘家平院士长期致力于混凝土“收缩裂缝控制”和“超高性能”两大核心领域的深入研究，在现代混凝土裂缝控制方面做出了突出贡献。 刘家平院士在混凝土报告厅分享了题为《混凝土低碳发展新路径》的精彩报告。
▲刘家平院士
▲金占平副主席为刘家平院士颁发演讲嘉宾荣誉证书
我国承诺力争2030年前二氧化碳排放达到峰值，力争2060年前实现碳中和，这将极大促进我国能源结构调整和产业结构转型。 混凝土作为国家重大工程和民用建筑的基础材料，减碳空间较大。 刘家平院士介绍，建立合理、准确的混凝土碳足迹计算方法是实现低碳混凝土的基础。 生命周期评估（Life Cycle，LCA）方法可以有效计算与混凝土相关的二氧化碳排放量。
▲减少水泥混凝土碳排放的技术途径
基于混凝土碳排放计算模型和碳排放数据，通过提高钢筋混凝土、高性能混凝土、低碳混凝土原材料的耐久性和混凝土制品的低能耗维护，提高固体废物的回收率和混凝土的性能。混凝土可大幅提高，满足低碳发展新需求。
在钢筋混凝土高耐久性方面，刘院士介绍，收缩裂缝是长期困扰工程界且至今尚未解决的国际难题。 通过建立基于水化-温度-湿度-约束耦合效应的硬化混凝土开裂风险预测模型，可以定量计算收缩开裂风险的全过程； 通过五种典型工况的抗开裂性能设计方法，可以克服开裂风险点的识别问题。
▲通过钢筋混凝土的高耐久性减少碳排放的技术思路
我们发明了阶段性全流程收缩裂缝控制功能材料——水蒸发抑制材料、水化热调节材料、膨胀材料和减缩碱性水材料，实现定向高效降低混凝土不同阶段的各种收缩。
▲分阶段、全过程收缩裂纹控制技术
开发了无机防护材料、缓蚀材料、自迁移钢筋阻锈材料等一批“隔离、阻断、减缓、延缓”的科技产品，提高防腐能力，抑制钢筋腐蚀，延长使用寿命。结构的使用寿命。 相关成果已应用于港珠澳沉管隧道、藏木大桥、兰新铁路等50多个重大工程。 他们实现了地下空间、隧道、长结构等无可见裂缝，成功推动了从被动修复到混凝土裂缝控制的转变。 积极预防和治疗。
▲部分应用项目
刘院士介绍，高性能混凝土是指提高混凝土的力学性能，减小结构截面，减轻结构重量，从而减少结构中的水泥混凝土用量，减少碳排放。 从分子和微纳层面控制混凝土浆体、基体和界面过渡区的微观结构，在减少水泥用量的同时实现高强度和高韧性的统一。
▲高性能混凝土减少碳排放的技术思路
首先，针对超高性能混凝土中复杂材料组分的分散问题，我们开发了减水率超过50%的超分散聚合物，从而在减少水泥用量的同时保持强度和流动性，直接二氧化碳排放量可减少 34%。 多于。 其次，通过纳米杂化材料，可以实现超高性能混凝土在常温养护过程中的超高强度、高弹性模量和低蠕变，为轻质大跨度混凝土的强度和刚度匹配提供技术基础结构。 同时，采用链杆聚合物和微高强钢纤维增韧技术，含粗骨料的超高性能混凝土抗拉强度超过10MPa，拉应变增加10倍，实现了超高强度和超高韧性。 同时，混凝土的高强增韧是未来研究的方向。 通过构建水泥相粘结强化-界面交联增韧-多尺度纤维分形增韧技术，突破了性能极限，显着提高了钢筋与混凝土的协同变形能力。 突破现有钢筋混凝土结构抗拉强度和韧性的基本设计理念。
▲粗骨料超高性能混凝土材料的工程应用案例
接下来，刘院士介绍了混凝土原材料的低碳技术路线。 根据水泥碳排放来源，减少水泥碳排放可从提高水泥生产能源效率、使用替代燃料、减少熟料消耗、发展低碳胶凝材料、循环利用混凝土五个方面进行。 首先，随着新型干法水泥生产技术的推广，我国水泥生产能耗已达到国际领先水平，达到110kg标准煤/t.cl，减少排放约33kg CO2/t.cl。 其次，全国20多个省份已建成或正在推进建设水泥窑生产线150条，协同处置垃圾、污泥、危险废物等，处置能力达1266万吨。 此外，通过利用大量的高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固体废物作为混合材料，减少水泥熟料用量，每减少1%熟料，可减少排放8.5kg CO2/ t.cl。
▲通过混凝土材料低碳化减少碳排放的技术思路
新型低碳水泥也具有一定的减排潜力。 刘家平院士重点介绍了煅烧粘土-石灰石复合水泥（LC3）的研究成果。 LC3水泥在原有硅酸盐水泥体系中添加石灰石和煅烧粘土，在不影响水泥混凝土的工作性能、力学性能和耐久性能的情况下，降低了水泥行业的能耗和碳排放； 含有熟料、烧粘土、石灰石和石膏，其中LC3-50中烧粘土和石灰石的比例可达30%和15%，28天强度优于普通硅酸盐水泥，而孔径做工精致，耐用性更好。
▲LC3新型低碳水泥
此外，再生混凝土的资源化利用也是减少原材料碳排放的重要途径。 再生混凝土可加工成再生骨料和再生细粉，再次作为原材料使用，从而减少水泥消耗，减少碳排放。 刘家平院士表示，当前，我国正在积极推进能源结构调整，急需解决无可用辅助胶凝材料的问题。 在此背景下，富铝固体废弃物的高效利用以及硅铝酸盐胶凝体系的开发将是低碳混凝土材料减少碳排放的未来方向。
最后，刘院士介绍了低能耗制备混凝土制品的技术进展。 传统的预制混凝土构件采用蒸汽养护来提高早期强度并加快磨具的周转。 然而，蒸汽养护成本高、污染大、耗能多、排放碳。 通过一系列早强功能材料的开发，形成了一套完整的不同阶段水化过程的控制技术，加速硅酸盐水泥的早期水化过程，促进混凝土早期强度的快速发展，并消除了蒸汽固化的需要。 同时，早强功能材料的使用解决了传统技术降低流动性、后期强度和耐久性的问题，显着提高了混凝土制品的使用性能。 以管桩混凝土为例，采用超早强技术，可实现管桩泵送、无蒸汽生产，比传统技术降低生产能耗约70%，直接减少单位产品碳排放86kg /立方米。
▲通过低能耗制备混凝土制品减少碳排放的技术思路
刘家平院士表示，1990年以来，每吨胶凝材料二氧化碳排放量已减少19.2%。 未来，将努力通过低碳水泥、可再生能源、碳捕获等变革性技术，实现碳中和混凝土。
第二位演讲嘉宾是Jean-Marc Weir 先生。 Jean-先生的中国合伙人、上海易城聚信建筑科技有限公司总经理肖旭轩先生介绍了Jean-先生及其团队在UHPC发展方面的职业成就：Jean- Ville Er先生于1994年创立了C&E工程咨询公司。C&E的团队由具有建筑设计和结构设计背景的幕墙和结构工程师组成。 UHPC部门聚集了材料工程师、结构设计工程师、施工技术专家等各工艺专业人才。 ，拥有丰富的国内外工作经验，与国内外技术团队有长期合作。 在本报告厅，Jean-Marc Weill先生通过视频连线做了题为“可定制材料——超高性能混凝土的高端与传统应用”的精彩报告。
▲先生让-马克·威尔
▲先生肖绪轩简要介绍了Jean-先生及其团队在开发UHPC方面的专业成就。
▲徐永模总裁向Jean-先生颁发演讲嘉宾荣誉证书，并代表C&E工程咨询公司上海分公司合伙人赵燕妮女士领取
UHPC于1973年由丹麦学者Hans Bache教授首次提出。 在20、21世纪的历史上，UHPC留下了精彩的作品。 UHPC是世界各地混凝土行业从业者广泛研究的成果，旨在改进和调整材料以适应日常环境。 通过配合比、制备和施工技术，其大部分物理、机械和化学性能是可控和可定制的。 环保节能材料。
Jean-Marc Weill先生在其团队刚刚在中国完成的项目中分享了UHPC材料在亚运攀岩馆建筑立面中的应用。 通过反复设计和计算，项目团队尽可能优化几何形状，最大限度地节省材料并改进施工工艺。
▲UHPC应用项目-亚运攀岩馆
UHPC最令人印象深刻的特点是它充分赋予结构形状自由度。 由于其内部结构致密，并且使用纤维代替钢筋，UHPC可以实现非常薄的平板。 在充分了解材料特性并通过德国软件公司有限元软件分析的基础上，可以实现UHPC在复杂几何形状上的应用。 中国有一个非常漂亮的花园游乐区案例，叫做花卉乐园，在这里你可以直观地感受到材料适应复杂几何形状的能力。
▲UHPC薄板应用案例——花卉天堂花园游乐区
UHPC中的纤维增强材料主要有两大类：一类是有机纤维增强材料，主要用于幕墙围护板、非结构板、遮阳、楼梯等；另一类是有机纤维增强材料，主要用于幕墙围护板、非结构板、遮阳板、楼梯等。 另一种是金属纤维增强材料，可用于非结构构件，也可应用于柱、梁、板、楼梯、雨篷、壳体等结构构件，特别是在地震地区。 对于一些有特殊要求的特殊结构构件，如防火要求，可采用有机纤维和金属纤维复合材料增强UHPC。 目前，在法国和欧洲，金属纤维增强UHPC已有完整的设计规范，有机纤维增强UHPC的设计方法也借鉴了金属纤维增强UHPC的设计规范。
在英国伦敦办事处设计的卡塔尔项目中，有机纤维增强UHPC成功应用于包括窗户和折叠板在内的幕墙维护结构。 通过精确的预制和施工，包括构件和窗户的细节、接缝宽度、幕墙防水细节等的优化，重新建立视觉连续性； 立面构件的力学性能和构件的刚度来自于折叠的几何形状，而不是通过增加面板的厚度来实现，充分节省了材料的用量，体现了UHPC优异的材料性能。
▲UHPC幕墙应用案例-卡塔尔项目
总体而言，UHPC具有四大典型性能：超高抗压强度、高拉伸强度、超低水灰比和致密的内部结构，共同创造了这些材料的新表现。 根据压缩应力-应变曲线的不同，UHPC分为以下三类：应变软化型、低应变硬化型和应变硬化型。 这三个不同的类别主要是由于混凝土基体中纤维的含量和特性所致。 在欧洲，低纤维含量的UHPC被称为T1，这意味着计算是基于UHPC的应变软化特性。 市场上大多数材料推荐使用T1材料本构关系进行计算。
▲三种UHPC的压缩应力-应变曲线
金属纤维增强UHPC的本构曲线更直观地展示了材料的优点。 能超出弹性范围，开裂后表现出塑性强度。 开裂强度主要由裂纹宽度控制。 塑性本构关系是UHPC的主要特征，欧洲混凝土设计规范中也规定了材料开裂后的结构性能。
▲金属纤维增强UHPC本构曲线
有机纤维混凝土增强UHPC是一种比金属纤维增强更脆弱、更敏感的UHPC材料，但同时它也具有其他一些强大的能力。 例如，当它在室外时，当它受到水的影响时，它是完全中性的，这就是为什么它经常被用于建筑围护结构中。 通过弯曲试验分析，有机纤维采用了较高的安全系数。
▲ UHPC力学性能计算方法
UHPC产品的整个生产过程包括成型方案、构件尺寸、预制过程的质量控制、收缩和早期裂纹控制、脱模过程。 UHPC产品的生产和施工过程有何特殊性？ 首先是模具的复杂性。 设计过程中必须考虑模具的合理性，以满足质量要求和成本控制。 控制构件的收缩和变形也是预制厂在生产过程中需要特别注意的问题。 此外，鉴于UHPC多用于预制构件，合理的锚固和吊装方案也是设计和生产过程中不可忽视的问题。 同时，设计团队必须考虑UHPC预制构件在施工过程中的临时状态。 值得注意的是，优化概念是UHPC设计过程的核心。 通过非线性分析优化构件的形状和厚度，在保证复杂构件力学性能的基础上完成成本控制。
▲UHPC预制构件施工过程中的临时状态设计与模拟
接下来，Jean-Marc Weil先生分享了两个UHPC板材组件的应用案例。 第一个应用案例是C&E在中国完成的第一个项目。 该项目位于深圳，12000平方米的UHPC薄片被用作幕墙的遮阳板。 该项目使用两种类型的UHPC产品：垂直杆由有机纤维增强UHPC制成，并以传统方式制造。 形状复杂，对模具要求严格； 水平杆采用钢筋加固，以增加地震区的抵抗力。 在提高板材整体刚度的同时，可以避免元件开裂或变形。 整个设计过程是一个不断优化、动态调整的过程。 设计过程记录了结构的演变，包括建模要求、结构刚度、制造技术、施工技术等因素。
▲立式部件复杂模具
第二个UHPC面板组件也是由有机纤维UHPC制成的遮阳板。 该项目位于伦敦国王十字区。 从可行性研究阶段开始，是一个不断优化的过程，包括全局尺度、局部尺寸、结构优化、材料消耗、是否配置钢筋、如何配置钢筋等的反复优化。
▲通过有限元分析优化构件受力结构
同时，UHPC还是一种优良的受力结构材料。 扎哈·哈迪德在伦敦设计的办公室楼梯中，采用有机纤维增强UHPC制作弯曲和拉伸构件，通过一系列独立结构形成完整的楼梯。 另一个楼梯应用案例是英国伦敦的萨默塞特宫。 该项目采用后张法UHPC工艺，所有构件均在现场组装并预应力。
▲扎哈·哈迪德的楼梯作品
▲伦敦萨默塞特宫的楼梯作品
UHPC 的另一个特点是其独特的设计方法，不使用传统混凝土。 赵燕妮女士负责完成卡塔尔的一个穹顶项目。 通过机械连接器，圆顶的整体被转化为一系列 UHPC 组件。 另一个项目是在中国完成的预制大跨度预制梁。 基于UHPC材料优异的抗剪性能，对结构梁的截面进行了优化。 根据材料的力学性能，逐步优化翼缘厚度和腹板厚度，并在梁底增设预应力筋，使截面所占比例逐渐接近钢结构。
▲预制UHPC预应力桥梁断面优化
我分享的最后一件事是位于法国阿拉斯的第一次世界大战纪念碑。 这是一座周长约330米的建筑，里面有一座120米长的弧形悬臂人行桥。 桥区采用预应力箱形UHPC悬臂结构。 通过一系列分析水泥，进行了一些设计优化，尽量减小支座的扭矩，准确计算了所需的预应力，并在全馆脚手架拆除前现场进行了预应力后张拉。
▲法国一战纪念馆
本着公益性原则，第四届中国混凝土大讲堂向混凝土行业免费开放。 协会聚焦国内外热点研究和应用领域，跨界邀请行业内外资深专家，为连接混凝土行业上下游做出了努力。 圆满成功。 未来，中国混凝土大讲堂将继续致力于打造国内外最高水平??的学术和技术交流平台，向从业者、建筑设计师和工程师介绍混凝土行业的最新成果。 第五届中国混凝土大讲堂计划于2023年�**肽昃侔臁�