第四届中国混凝土大讲堂深度报道
时间：2022-08-27 来源： 中国混凝土与水泥制品协会 分享：
2022年8月7日，由中国混凝土与水泥制品协会和中国硅酸盐学会共同发起创立的中国混凝土大讲堂于南京国际博览会议中心成功召开。
2022年8月7日，由中国混凝土与水泥制品协会和中国硅酸盐学会共同发起创立的中国混凝土大讲堂于南京国际博览会议中心成功召开。
▲第四届中国混凝土大讲堂会场
本次混凝土大讲堂经专家委员会推荐和提名，遴选国际知名2位专家学者，就低碳混凝土和超高性能混凝土材料与工程应用技术，综合国内和国际的前沿研究与工程应用进展情况，开展学术与技术交流。2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、国务院“政府特殊津贴”专家、江苏苏博特新材料股份有限公司董事刘加平，DPLG法国国家注册建筑师、工程师、C&E建筑设计与工程咨询公司创始人、法国国立高等城市与地区建筑学校终身教授、蒙特利尔教育学院、利马天主教大学客座教授让-马克·威尔先生。
▲中国硅酸盐学会常务副理事长晋占平致欢迎辞
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玉主持，中国硅酸盐学会常务副理事长晋占平致欢迎辞。晋占平先生表示，水泥混凝土作为世界上最大宗的人工制备材料，在推动人类社会进步和经济发展发挥着重要作用。由中国混凝土与水泥制品协会和中国硅酸盐学会共同发起创立中国混凝土大讲堂，每年邀请两名混凝土材料领域知名学者聚焦混凝土材料学科前沿和工程应用的重大需求作演讲报告，使大家了解国内外混凝土材料前沿领域和工程应用的重大进展，助力我国混凝土科学技术的创新发展。本届中国混凝土大讲堂继续关注国内外混凝土材料与工程领域的重要发展趋势。自从2020年9月中国明确提出“双碳”战略发展目标以来，开发绿色、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。与此同时，超高性能混凝土已经成为国际建设领域最具创新活力的工程材料之一，在桥梁、建筑、维修加固等领域的工程应用初具规模，材料、设计与施工的标准及规范技术体系逐步建立，并正在形成完善的产业链。第一位主讲嘉宾是刘加平院士。刘加平院士长期致力于混凝土“收缩裂缝控制”“超高性能化”两个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的贡献。刘加平院士在混凝土大讲堂上分享了题为“混凝土低碳发展新路径”的精彩报告。
▲刘加平院士
▲晋占平副理事长为刘加平院士颁发主讲嘉宾荣誉证书
中国承诺CO2排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和，这将极大地推动我国能源结构调整和产业结构变革。混凝土作为国家重大工程和民用建筑的基础材料，具有较大的减碳空间。刘加平院士介绍，建立合理、准确的混凝土碳足迹计算方法是实现混凝土低碳化的基础，采用全寿命周期评价（Life Cycle Assessment，LCA）方法可以有效计算与混凝土相关的二氧化碳排放。
▲降低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及碳排放数据，通过提高钢筋混凝土耐久性、混凝土高性能化、混凝土原材料低碳化和混凝土制品低能耗养护，大幅提升固废循环利用率与混凝土的性能，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，收缩开裂是长期困扰工程界而未能解决的国际难题。通过建立水化-温度-湿度-约束耦合作用的硬化混凝土开裂风险预测模型，实现收缩开裂风险全过程量化计算；通过五种典型工况的抗裂性能设计方法，攻克开裂风险点识别难题。
▲通过钢筋混凝土高耐久性降低碳排放的技术思路
发明了分阶段、全过程的收缩裂缝控制功能材料——水分蒸发抑制材料、水化热调控材料、膨胀材料和减缩碱水材料，实现定向、高效降低混凝土不同阶段的多种收缩。
▲分阶段、全过程收缩裂缝控制技术
研发的无机防护材料、侵蚀抑制材料、自迁移钢筋阻锈材料等多项“隔、阻、缓、延”技术产品，提升抗侵蚀性能，抑制钢筋锈蚀，延长结构服役寿命。相关成果应用于港珠澳沉管隧道、藏木大桥、兰新铁路等50多项重大工程，实现了地下空间、隧道、长大结构等无可见裂缝，成功推动混凝土裂缝控制由被动修复转向为主动防治。
▲部分应用项目
刘院士介绍，混凝土高性能化是指通过提高混凝土的力学性能，减小结构断面、减轻构筑物自重，从而减少结构中水泥混凝土的用量，降低碳排放。从分子和微纳观层次，调控混凝土浆体、基体和界面过渡区的微结构，降低水泥用量的同时实现高强和高韧的统一。
▲通过混凝土高性能化降低碳排放的技术思路
首先针对超高性能混凝土复杂材料组分分散问题，研发了超分散聚合物，减水率可达50%以上，进而在降低水泥用量的条件下维持强度和流动性，CO₂直接排放可降低34%以上。其次，通过纳米杂化材料，实现常温养护工艺下超高性能混凝土的超高强度、高弹模和低徐变，为轻质大跨混凝土结构的强度和刚度匹配提供技术基础。同时，采用链棒状聚合物和微细高强钢纤维增韧技术，含粗骨料超高性能混凝土抗拉强度突破10MPa，拉伸应变提升10倍，实现了超高强与超高韧的统一。同时，混凝土的高强韧化是未来研究的方向，通过构建胶凝相键合强化－界面交联增韧－多尺度纤维分形韧化技术，突破了性能极限，显著提升钢筋与混凝土协同变形能力，突破现有配筋混凝土结构抗拉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化技术路线。根据水泥碳排放的来源，可从提高水泥生产能效、使用可替代燃料、减少熟料用量、开发低碳胶凝材料、混凝土再生利用五个方面来降低水泥碳排放。首先，随着新型干法水泥生产工艺的推广，我国在水泥生产能耗已经处于国际领先水平，达到110kg标准煤/t.cl，减排约33kg CO₂/t.cl。其次，目前全国已有20多个省份建成或正在推进建设水泥窑协同处置垃圾、污泥、危险废弃物等生产线150条，处置能力为1266万吨。再者，通过大量采用高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废作为混合材，降低水泥中熟料的用量，每降低1%熟料，可减排8.5kg CO₂/t.cl。
▲通过混凝土材料低碳化降低碳排放的技术思路
新型低碳水泥同样具有一定减排潜力，刘加平院士着重介绍了煅烧粘土-石灰石复合水泥（LC3）研究成果。LC3水泥通过在原有的波特兰水泥体系中添加石灰石和煅烧粘土来降低水泥工业的能耗与碳排放，同时不影响水泥混凝土的工作、力学和耐久性能；包含熟料、煅烧粘土、石灰石和石膏，其中LC3-50中煅烧粘土和石灰石的比例可达到30%与15%，28天强度优于普通硅酸盐水泥，同时孔径细化，耐久性较优。
▲LC3新型低碳水泥
此外，再生混凝土的资源化利用同样是降低原材料碳排放的重要途径。再生混凝土可加工用作再生骨料和再生微粉，作为原材料再次使用，从而减少水泥用量，降低碳排放。刘加平院士表示，目前我国积极推动能源结构调整，亟待解决辅助胶凝材料无材可用的问题。在这种大背景下，高效利用富铝固废，发展硅铝酸盐胶凝体系，将是混凝土材料低碳化降低碳排放的未来方向。最后，刘院士介绍了混凝土制品低能耗制备的技术发展情况。传统混凝土预制构件采用蒸汽养护来提高早期强度，加快磨具周转，但是蒸汽养护成本高、污染大、能耗与碳排放高。通过开发系列早强功能材料，形成针对不同阶段的水化历程成套调控技术，加速硅酸盐水泥早期水化进程，促进混凝土早期强度快速发展，免去蒸汽养护。同时采用早强功能材料解决了传统技术降低流动性、后期强度和耐久性难题，显著提升混凝土制品的服役性能。以管桩混凝土为例，采用超早强技术可实现管桩泵送免压蒸生产，较传统技术降低生产能耗约70%，直接减少单位产品碳排放86kg/m³。刘加平院士表示，自1990年以来，每吨胶凝材料的二氧化碳排放量已经减少了19.2%，未来努力通过低碳水泥、可再生能源、碳捕集等变更性技术，实现碳中和混凝土。第二主讲嘉宾是让-马克·威尔先生。让-马克威尔先生的中国区合作伙伴、上海义诚巨新建筑科技有限公司总经理肖绪烜先生，介绍了让-马克威尔先生及其团队在发展UHPC方面的职业成就：让-马克·威尔先生于1994年创立C&E工程咨询公司，C&E的团队由建筑设计与结构设计背景的幕墙及结构工程师组成，其中UHPC部门集结了材料工程师、结构设计工程师、施工工艺专家等各流程中的专业人士，具有丰富的国内外工作经验且长期与国内外技术团队协同合作。本次大讲堂，让-马克·威尔先生通过视频连线的方式，带来了题为“可定制化材料—超高性能混凝土的高端与常规应用”的精彩报告。
▲让-马克·威尔先生
▲肖绪烜先生对让-马克威尔先生及其团队在发展UHPC方面的职业成就做简单介绍
▲徐永模会长为让-马克威尔先生颁发主讲嘉宾荣誉证书，由C&E工程咨询公司上海分公司合伙人赵燕妮女士代表领取
UHPC最早是在1973年由丹麦学者Hans Henrik Bache 教授提出的。在20世纪和21世纪的历史上，UHPC都留下的精彩的作品。UHPC是世界各地混凝土行业从业者为改进和调整材料以适应日常环境而进行的大量研究的一个成果，通过配合比、制备和施工工艺，实现其大部分的物理力学性能、化学性能可控可定制的环保节能材料。让-马克·威尔先生分享了其团队刚刚才中国完成的项目——亚运会攀岩馆中，UHPC材料在建筑立面的应用。项目团队通过反复的设计和计算，尽可能的优化几何形状，以最大限度地节省材料并改善施工工艺过程。
▲UHPC应用项目——亚运会攀岩馆
UHPC最令人印象深刻的特质是就是充分赋予结构在造型上的自由。因为致密的内部结构及用纤维代替钢筋，UHPC可以实现非常薄的平板结构。在充分了解材料特性的基础上，通过德国Sofistik软件公司的有限元软件进行分析，得以实现UHPC在复杂几何造型中的应用。中国有一个非常漂亮的花园游乐区的案例，名为花的天堂，可以直观感受出材料适应复杂的几何造型的能力。
▲UHPC薄板应用案例——花的天堂花园游乐区
UHPC中的纤维增强材料主要有两个类别：一种是有机纤维增强材料，主要用于幕墙围护面板、非结构面板、遮阳板，以及楼梯；另一种是金属纤维增强材料，即可以应用在非结构构件上，也可以应用在柱、梁、板、楼梯、雨棚和外壳等结构构件上，特别是在地震地区。对于部分有特殊要求，比如防火要求的特殊结构构件，可以采用有机纤维和金属纤维复合增强UHPC。目前，在法国及欧洲，金属纤维增强UHPC是有完整的设计规范，而有机纤维增强UHPC的设计方法也是从金属纤维增强UHPC设计规范借鉴来的。由英国伦敦的Foster and Partners事务所设计的卡塔尔Lusail项目，在这个项目中，有机纤维增强UHPC成功应用于包括窗户、折叠面板的幕墙维护结构。通过精准的预制和施工，包括构件与窗户的细节、接缝宽度、幕墙防水细节等优化处理，重建视觉连续性；立面的构件的力学性能和构件的刚度来自于折叠的几何造型，而不是通过增加面板的厚度来实现，充分节省材料的用量，体现了UHPC优秀的材料性能。
▲UHPC幕墙应用案例——卡塔尔Lusail项目
总体来说，UHPC有四种典型特性：超高抗压强度、高抗拉强度、超低水灰比和致密的内部结构，这四种特性一起为这些材料创造了一个新的表现形式。根据压应力-应变曲线的不同，将UHPC分为以下三类：应变软化类、低应变硬化类和应变硬化类。造成三种不同种类的原因主要是混凝土基体内部纤维的含量和特性。在欧洲，纤维含量低的UHPC被称为T1，这意味着计算是基于应变软化的特性的UHPC。市场上的大部分材料均建议采用T1的材料本构关系进行计算。
▲三种UHPC的压应力-应变曲线
金属纤维增强UHPC本构曲线更加直观的显示了材料的优势，能够超过弹性范围，呈现开裂后塑性强度，开裂强度主要由裂缝宽度控制。塑性本构关系是UHPC的主要特色，在欧洲的混凝土设计规范中也阐述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，但同时也有一些他有其他很强的能力，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围护结构。通过抗弯试验分析，有机纤维采用更高的安全系数。
▲UHPC力学性能计算方法
UHPC制品的整个生产过程包括成型方案、构件的尺寸、预制过程的质量控制、控制收缩和早期开裂控制、脱模过程。UHPC制品生产和施工工艺有哪些特殊性?首先是模具的复杂性，设计过程中要考虑模具的合理性，已满足质量要求和成本控制。控制构件收缩和变形，也是生产过程中预制工厂需要格外注意的问题。另外鉴于UHPC多应用于预制构件，合理的锚固吊装方案也是在设计和生产过程中不可忽视的问题。同时，设计团队必须考虑施工过程中的UHPC预制构件的临时状态。值得注意的是，优化的概念是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，在保证复杂的构件的力学性能的基础上完成成本控制。
▲设计模拟UHPC预制构件在施工过程中的临时状态
接下来，让-马克·威尔先生分享了两个UHPC板类构件应用案例。第一个应用案例是C&E在中国完成的第一个项目，项目所在地是深圳，使用了12000平方米的UHPC薄板作为幕墙的遮阳板。本项目使用了两种UHPC制品：垂直的杆件采用有机纤维增强UHPC，采用传统的方式制作的，复杂的造型对模具的要求较为严苛；水平杆件配有钢筋加固，以增加地震区中板的整体刚度的同时，可以避免构件的开裂或变形。整个设计过程是不断优化的过程，是动态调整的，设计过程记录了结构的演变，包括造型要求、结构刚度、制作工艺、施工工艺等因素。
▲竖向构件的复杂模具
第二个UHPC板类构件同样是采用有机纤维UHPC制成的遮阳板，项目位于伦敦国王十字路口。从可行性研究阶段开始，就是一个不断优化的过程，包括全局尺度、局部尺寸、结构优化、材料用量、是否配置加强钢筋、如何配置加强钢筋等反复优化。
▲通过有限元分析优化构件受力结构
同时，UHPC也是优秀的受力结构材料。扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）在伦敦设计的办公室楼梯中，采用了有机纤维增强UHPC制作抗弯和抗拉构件，通过一系列独立的结构，以形成一个完整楼梯。另一个楼梯的应用案例是英国伦敦的萨默赛特宫，项目采用后张法张拉UHPC工艺，所有构件在现场进行组装和预应力张拉。
▲扎哈·哈迪德楼梯作品
▲伦敦萨默赛特宫楼梯作品
UHPC的另一个特点是其不用于传统混凝土的独特的设计方法。赵燕妮女士在卡塔尔负责完成了一个穹顶项目，通过力学连接件，将穹顶的统一性转化为一系列的UHPC构件。另外一个项目是在中国完成的装配式大跨度预制梁。根据UHPC材料优异的抗剪能力优化了结构梁的截面，根据材料的力学性能，逐步优化翼缘厚度和腹板厚度，在梁的底部增设了预应力筋，实现截面的比例逐渐接近钢结构。
▲预制UHPC预应力桥梁截面优化
最后分享的是位于法国阿拉斯的第一次世界大战纪念馆。这是一座周长大约是330米的建筑，其中包含120米长的弧形悬挑结构人行桥，桥梁区域采用预应力箱形UHPC悬臂结构。通过系列分析，采取一些设计优化最小化支座的扭矩，精确计算出所需要的预应力的大小，并在满堂脚手架拆除之前在现场进行的预应力后张。
▲法国第一次世界大战纪念馆
本着公益性原则，第四届中国混凝土大讲堂对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，跨界邀请行业内外的资深专家，在打通混凝土产业上下游方面做出了努力，取得了圆满成功。在未来，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，将混凝土界的最新成果介绍给广大从业人员、建筑设计师和工程师们。第五届中国混凝土大讲堂计划将于2023年上半年举办。
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