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    科技獎獲獎項目系列報道② | 讓廢棄混凝土物盡其用

    來源:中國建筑材料聯合會(官網)  撰稿人:  發布時間:2021年07月13日 瀏覽:
    摘要:

    十幾年來,《再生混凝土多尺度力學行為與調控》項目研究團隊以肖建莊教授和潘智生(CS Poon)教授為核心,丁陶、段珍華等優秀青年教師為骨干,以提升建筑產業可持續性、實現建筑與環境和諧共處為最終目標,以再生混凝土的材料、結構性能及其工程應用為切入點,進行深入而系統的科學研究,共發表相關SCI論文800余篇,肖建莊獲國家杰出青年科學基金資助,潘智生受聘教育部長江學者講座教授;主編、參編多部國家、地區再生混凝土相關規范,構建了再生骨料混凝土結構設計技術體系,實現再生混凝土標準化應用;推廣再生混凝土應用,助力碳達峰、碳中和,實現了工程經濟、環境、社會效益的同步提升。

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    肖建莊團隊部分成員參加學術交流會(2020年)

      項目介紹《再生混凝土多尺度力學行為與調控》項目在國家自然科學基金、科技部重點研發計劃、教育部新世紀優秀人才計劃、上海市科委、香港創新及科技基金和香港優配研究金等多個項目持續資助下,同濟大學和香港理工大學緊密合作,圍繞發現的科學問題,對再生混凝土多尺度力學行為與性能調控等內容進行了系統研究,揭示了再生混凝土多尺度力學性能發展規律,提出了調控方法,提高了再生混凝土力學性能、耐久性能和抗震防災性能,構建了從材料到結構、從微觀到宏觀的多尺度下再生混凝土理論體系,提出了改善再生混凝土性能的新方法,實現了再生混凝土材料性能有效控制,解決了因再生骨料品質較低、離散性大而導致再生混凝土應用受限的難題,為其安全應用提供了理論依據。團隊情況

      十幾年來,《再生混凝土多尺度力學行為與調控》項目研究團隊以肖建莊教授和潘智生(CS Poon)教授為核心,丁陶、段珍華等優秀青年教師為骨干,以提升建筑產業可持續性、實現建筑與環境和諧共處為最終目標,以再生混凝土的材料、結構性能及其工程應用為切入點,進行深入而系統的科學研究,共發表相關SCI論文800余篇,肖建莊獲國家杰出青年科學基金資助,潘智生受聘教育部長江學者講座教授;主編、參編多部國家、地區再生混凝土相關規范,構建了再生骨料混凝土結構設計技術體系,實現再生混凝土標準化應用;推廣再生混凝土應用,助力碳達峰、碳中和,實現了工程經濟、環境、社會效益的同步提升。

    再生混凝土結構高層建筑(2016年竣工)

      在Scopus數據庫中以“再生混凝土”為關鍵詞,同濟大學教授肖建莊和香港理工大學教授潘智生發表的論文總數列全球第1位。在談及為何扎根于“再生混凝土”的課題研究時,肖建莊表示,當下,我國每年排放建筑固廢約30億噸以上,其中含有大量廢棄混凝土,如何資源化利用廢棄混凝土,讓其再次成為建筑用材的主力軍,是實現我國可持續發展戰略的有效途徑,也是我國實現碳達峰、碳中和目標的有效手段之一。多年來,肖建莊和潘智生從未停止過對再生混凝土的研究,其發表的論文被國際混凝土研究領域著名學者多次引用并高度評價。肖建莊連續6年入選Elsevier“中國高被引學者”榜單,肖建莊和潘智生均是Elsevier發布的“全球土木工程學科高被引學者”。同時,由肖建莊、潘智生、丁陶等人共同完成的《再生混凝土多尺度力學行為與調控》項目獲得2020年度中國建筑材料聯合會·中國硅酸鹽學會建筑材料科學技術獎基礎研究類一等獎。

      對再生混凝土的研究到底會給行業帶來哪些影響?相較于傳統天然骨料混凝土,其性能有哪些不同?在實際應用中又會有哪些挑戰與機遇?帶著這些疑問,記者采訪了《再生混凝土多尺度力學行為與調控》項目第一完成人、同濟大學教授肖建莊。

    全再生混凝土科普館(2021年在建)

      變廢料為原料

      我國每年的廢棄混凝土量大面廣,對環境和生態影響巨大。在肖建莊看來,如果大量的廢棄混凝土不能正確資源化處置,光是運輸、填埋這些建筑固廢就要消耗極多的能源和土地資源,造成嚴重的環境污染和社會問題。一方面,國家經濟和社會的發展對廢棄混凝土資源化有著巨大需求。隨著建筑業的快速發展,砂石的需求量越來越大。我國混凝土行業每年約消耗天然砂石50億噸,并逐年上升。天然資源日趨緊張甚至瀕臨枯竭,供需缺口巨大。另一方面,隨著我國社會經濟發展與城鎮化進程的加快,由于建筑施工、改造修繕和拆除等產生的廢棄混凝土排放量迅速增加,已造成嚴重的環境和生態問題,破壞了城鄉居民的生活環境,在土地和空間緊張的大城市這一情況更加嚴峻。若不回收利用,既不符合“節能減排”的大政方針,又嚴重阻礙國家“無廢城市”建設。

      因此,厘清廢棄混凝土再生循環利用的基礎問題,利用再生骨料科學制備再生混凝土,是解決廢棄混凝土問題的最有效措施。

      但是難題也隨之而來,肖建莊表示,相比天然骨料混凝土,再生骨料表面附著大量多孔老砂漿,致使其性能劣于天然骨料;同時,由于再生骨料性能存在時間和空間的變異性,使得所制備再生混凝土的膠凝和骨料體系更加復雜,若不進行專門的、系統的科學研究和工程檢驗,則無法對再生混凝土結構進行設計,也就無法保證對結構的安全、適用、耐久的要求,致使再生混凝土的應用受到了嚴格限制。

      如何破局?如何啃下這塊“硬骨頭”?

      實驗—研究—再實驗。十年如一日,肖建莊帶領他的團隊構建了從材料到結構、從微觀到宏觀的多尺度下再生混凝土理論體系,提出了改善再生混凝土性能的新方法,實現了再生混凝土材料性能有效控制,解決了因再生骨料品質較低、離散性較大而導致再生混凝土應用受限的難題。

      回想起整個項目的研發過程,肖建莊感觸頗深。他表示,最大的困難就是科學研究和產業推廣。再生混凝土性能的波動性,導致結構性能的可靠度極難估計,也就是再生混凝土結構安全問題的來源,其根源在于再生混凝土材料性能影響因素多、細微觀結構復雜、變異性大。針對這一問題,首先,要從理論和劣化機理的角度出發,從細微觀到宏觀,從多個尺度揭示再生混凝土性能波動性的來源及諸多因素的影響機理,提出對應的改性手段,提升性能、降低離散性;并通過大量試驗研究,標定了再生混凝土細微觀各相的物理性能,并定量各因素對再生混凝土性能的影響;最終,通過可靠度方法,分析了再生混凝土結構在整個生命周期中的可靠度指標時變規律,以保障再生混凝土結構在整個服役生命周期內的安全可靠。

      而在技術產業化的過程中,從工程設計、監理到驗收幾個環節仍存在一定程度上的困難,往往首先需要得到投資方和業主的認可。首先,第一步進行技術產業落地,研發配套的裝置和設備,保證工地用的再生混凝土性能和實驗室中得到的試驗結果吻合,并結合科學研究和工程實踐,主編、參編了多部再生混凝土設計、監理到驗收各個環節的標準,為再生混凝土應用保駕護航;其次,努力建設示范工程,參與結構設計、施工、使用、維護、檢測的各個方面,并通過結構健康監測,時刻關注結構安全性能的變化,目前最高已建設12層高層再生混凝土框架-剪力墻結構建筑,向業內專家展示再生混凝土的安全性能;最后,要多科普、多宣傳、多算賬,用數字說話,讓業主和投資方認可再生混凝土的經濟和環境優勢。

      落地生根

      肖建莊帶領著他的團隊,通過對再生混凝土多尺度力學行為與性能調控的系統研究,厘清了再生混凝土材料性能劣化機理,提高了再生混凝土性能及穩定性;建立了再生混凝土材料力學行為模型,為復雜受力狀態下的再生混凝土安全精細化分析奠定了應用理論基礎,為再生混凝土結構分析和設計方法提供依據;發展了再生混凝土材料應用安全性能調控方法,保障再生混凝土結構在相同設計水準下達到與天然骨料混凝土服役性能相當。

      多年的研究獲得了豐碩的研究成果?;谠擁椦芯?,第一完成人肖建莊獲國家杰出青年科學基金,第二完成人潘智生被選為教育部長江學者講座教授;成果指導編制多部國家規范和行業標準,入選本科生和研究生教材,實質性推動了該領域的學科發展。

      同時,項目成果指導了多個再生混凝土結構的精細化分析,成功用于國內第一幢再生混凝土高層建筑結構設計,為再生混凝土安全高效應用提供了應用理論基礎。

      如今,項目的運用實施效果良好,成果轉化每年產值超過10億元,已在北京、上海、河南等全國大多數省和自治區、直轄市建成生產線,成果輻射至美國、日本、英國等發達國家及巴基斯坦等“一帶一路”沿線國家,受到合作伙伴的高度好評。

      肖建莊說,現有的成果讓我們更多的了解再生混凝土材料和結構性能規律,相當于已配置好了顏料、學習了構圖方法,接下來就應該用畫筆描繪更廣闊、更綠色的發展。在現有研究和產業基礎之上,下一步計劃在“高端”和“低端”兩個方向,除了作為主要建筑材料直接應用于建筑結構外,一方面計劃利用再生骨料吸水、釋水規律,將再生混凝土應用于3D打印領域,初步的研究結果表明,使用再生骨料可獲得更長的打印窗口、更好的打印性能;另一方面,計劃利用再生骨料多孔、再生混凝土阻尼較高的特征,將再生混凝土廣泛應用于路面、路基、房屋地基等有振動控制要求的工程中,作為結構-功能材料使用。

      

    責任編輯:單建慶
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