第四屆中國混凝土大講堂深度報道
時間：2022-08-27 來源： 中國混凝土與水泥制品協會 分享：
2022年8月7日，由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會共同發起創立的中國混凝土大講堂于南京國際博覽會議中心成功召開。
2022年8月7日，由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會共同發起創立的中國混凝土大講堂于南京國際博覽會議中心成功召開。
▲第四屆中國混凝土大講堂會場
本次混凝土大講堂經專家委員會推薦和提名，遴選國際知名2位專家學者，就低碳混凝土和超高性能混凝土材料與工程應用技術，綜合國內和國際的前沿研究與工程應用進展情況，開展學術與技術交流。2位專家學者分別是東南大學材料科學與工程學院教授、國家杰出青年基金獲得者、“長江學者”特聘教授、國務院“政府特殊津貼”專家、江蘇蘇博特新材料股份有限公司董事劉加平，DPLG法國國家注冊建筑師、工程師、C&E建筑設計與工程咨詢公司創始人、法國國立高等城市與地區建筑學校終身教授、蒙特利爾教育學院、利馬天主教大學客座教授讓-馬克·威爾先生。
▲中國硅酸鹽學會常務副理事長晉占平致歡迎辭
第四屆中國混凝土大講堂由中國混凝土與水泥制品協會副秘書長陳玉主持，中國硅酸鹽學會常務副理事長晉占平致歡迎辭。晉占平先生表示，水泥混凝土作為世界上最大宗的人工制備材料，在推動人類社會進步和經濟發展發揮著重要作用。由中國混凝土與水泥制品協會和中國硅酸鹽學會共同發起創立中國混凝土大講堂，每年邀請兩名混凝土材料領域知名學者聚焦混凝土材料學科前沿和工程應用的重大需求作演講報告，使大家了解國內外混凝土材料前沿領域和工程應用的重大進展，助力我國混凝土科學技術的創新發展。本屆中國混凝土大講堂繼續關注國內外混凝土材料與工程領域的重要發展趨勢。自從2020年9月中國明確提出“雙碳”戰略發展目標以來，開發綠色、環保、低碳混凝土已成為我國乃至國際工程材料領域的研究熱點。與此同時，超高性能混凝土已經成為國際建設領域最具創新活力的工程材料之一，在橋梁、建筑、維修加固等領域的工程應用初具規模，材料、設計與施工的標準及規范技術體系逐步建立，并正在形成完善的產業鏈。第一位主講嘉賓是劉加平院士。劉加平院士長期致力于混凝土“收縮裂縫控制”“超高性能化”兩個核心領域的深入研究，在現代混凝土裂縫控制方面做出了突出的貢獻。劉加平院士在混凝土大講堂上分享了題為“混凝土低碳發展新路徑”的精彩報告。
▲劉加平院士
▲晉占平副理事長為劉加平院士頒發主講嘉賓榮譽證書
中國承諾CO2排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和，這將極大地推動我國能源結構調整和產業結構變革。混凝土作為國家重大工程和民用建筑的基礎材料，具有較大的減碳空間。劉加平院士介紹，建立合理、準確的混凝土碳足跡計算方法是實現混凝土低碳化的基礎，采用全壽命周期評價（Life Cycle Assessment，LCA）方法可以有效計算與混凝土相關的二氧化碳排放。
▲降低水泥混凝土碳排放的技術途徑
基于混凝土碳排放計算模型及碳排放數據，通過提高鋼筋混凝土耐久性、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養護，大幅提升固廢循環利用率與混凝土的性能，滿足低碳發展新需求。在鋼筋混凝土高耐久性方面，劉院士介紹，收縮開裂是長期困擾工程界而未能解決的國際難題。通過建立水化-溫度-濕度-約束耦合作用的硬化混凝土開裂風險預測模型，實現收縮開裂風險全過程量化計算；通過五種典型工況的抗裂性能設計方法，攻克開裂風險點識別難題。
▲通過鋼筋混凝土高耐久性降低碳排放的技術思路
發明了分階段、全過程的收縮裂縫控制功能材料——水分蒸發抑制材料、水化熱調控材料、膨脹材料和減縮堿水材料，實現定向、高效降低混凝土不同階段的多種收縮。
▲分階段、全過程收縮裂縫控制技術
研發的無機防護材料、侵蝕抑制材料、自遷移鋼筋阻銹材料等多項“隔、阻、緩、延”技術產品，提升抗侵蝕性能，抑制鋼筋銹蝕，延長結構服役壽命。相關成果應用于港珠澳沉管隧道、藏木大橋、蘭新鐵路等50多項重大工程，實現了地下空間、隧道、長大結構等無可見裂縫，成功推動混凝土裂縫控制由被動修復轉向為主動防治。
▲部分應用項目
劉院士介紹，混凝土高性能化是指通過提高混凝土的力學性能，減小結構斷面、減輕構筑物自重，從而減少結構中水泥混凝土的用量，降低碳排放。從分子和微納觀層次，調控混凝土漿體、基體和界面過渡區的微結構，降低水泥用量的同時實現高強和高韌的統一。
▲通過混凝土高性能化降低碳排放的技術思路
首先針對超高性能混凝土復雜材料組分分散問題，研發了超分散聚合物，減水率可達50%以上，進而在降低水泥用量的條件下維持強度和流動性，CO?直接排放可降低34%以上。其次，通過納米雜化材料，實現常溫養護工藝下超高性能混凝土的超高強度、高彈模和低徐變，為輕質大跨混凝土結構的強度和剛度匹配提供技術基礎。同時，采用鏈棒狀聚合物和微細高強鋼纖維增韌技術，含粗骨料超高性能混凝土抗拉強度突破10MPa，拉伸應變提升10倍，實現了超高強與超高韌的統一。同時，混凝土的高強韌化是未來研究的方向，通過構建膠凝相鍵合強化－界面交聯增韌－多尺度纖維分形韌化技術，突破了性能極限，顯著提升鋼筋與混凝土協同變形能力，突破現有配筋混凝土結構抗拉和韌性的基本設計理念。
▲粗骨料超高性能混凝土材料的工程應用案例
接下來，劉院士介紹了混凝土原材料的低碳化技術路線。根據水泥碳排放的來源，可從提高水泥生產能效、使用可替代燃料、減少熟料用量、開發低碳膠凝材料、混凝土再生利用五個方面來降低水泥碳排放。首先，隨著新型干法水泥生產工藝的推廣，我國在水泥生產能耗已經處于國際領先水平，達到110kg標準煤/t.cl，減排約33kg CO?/t.cl。其次，目前全國已有20多個省份建成或正在推進建設水泥窯協同處置垃圾、污泥、危險廢棄物等生產線150條，處置能力為1266萬噸。再者，通過大量采用高爐礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業固廢作為混合材，降低水泥中熟料的用量，每降低1%熟料，可減排8.5kg CO?/t.cl。
▲通過混凝土材料低碳化降低碳排放的技術思路
新型低碳水泥同樣具有一定減排潛力，劉加平院士著重介紹了煅燒粘土-石灰石復合水泥（LC3）研究成果。LC3水泥通過在原有的波特蘭水泥體系中添加石灰石和煅燒粘土來降低水泥工業的能耗與碳排放，同時不影響水泥混凝土的工作、力學和耐久性能；包含熟料、煅燒粘土、石灰石和石膏，其中LC3-50中煅燒粘土和石灰石的比例可達到30%與15%，28天強度優于普通硅酸鹽水泥，同時孔徑細化，耐久性較優。
▲LC3新型低碳水泥
此外，再生混凝土的資源化利用同樣是降低原材料碳排放的重要途徑。再生混凝土可加工用作再生骨料和再生微粉，作為原材料再次使用，從而減少水泥用量，降低碳排放。劉加平院士表示，目前我國積極推動能源結構調整，亟待解決輔助膠凝材料無材可用的問題。在這種大背景下，高效利用富鋁固廢，發展硅鋁酸鹽膠凝體系，將是混凝土材料低碳化降低碳排放的未來方向。最后，劉院士介紹了混凝土制品低能耗制備的技術發展情況。傳統混凝土預制構件采用蒸汽養護來提高早期強度，加快磨具周轉，但是蒸汽養護成本高、污染大、能耗與碳排放高。通過開發系列早強功能材料，形成針對不同階段的水化歷程成套調控技術，加速硅酸鹽水泥早期水化進程，促進混凝土早期強度快速發展，免去蒸汽養護。同時采用早強功能材料解決了傳統技術降低流動性、后期強度和耐久性難題，顯著提升混凝土制品的服役性能。以管樁混凝土為例，采用超早強技術可實現管樁泵送免壓蒸生產，較傳統技術降低生產能耗約70%，直接減少單位產品碳排放86kg/m3。劉加平院士表示，自1990年以來，每噸膠凝材料的二氧化碳排放量已經減少了19.2%，未來努力通過低碳水泥、可再生能源、碳捕集等變更性技術，實現碳中和混凝土。第二主講嘉賓是讓-馬克·威爾先生。讓-馬克威爾先生的中國區合作伙伴、上海義誠巨新建筑科技有限公司總經理肖緒烜先生，介紹了讓-馬克威爾先生及其團隊在發展UHPC方面的職業成就：讓-馬克·威爾先生于1994年創立C&E工程咨詢公司，C&E的團隊由建筑設計與結構設計背景的幕墻及結構工程師組成，其中UHPC部門集結了材料工程師、結構設計工程師、施工工藝專家等各流程中的專業人士，具有豐富的國內外工作經驗且長期與國內外技術團隊協同合作。本次大講堂，讓-馬克·威爾先生通過視頻連線的方式，帶來了題為“可定制化材料—超高性能混凝土的高端與常規應用”的精彩報告。
▲讓-馬克·威爾先生
▲肖緒烜先生對讓-馬克威爾先生及其團隊在發展UHPC方面的職業成就做簡單介紹
▲徐永模會長為讓-馬克威爾先生頒發主講嘉賓榮譽證書，由C&E工程咨詢公司上海分公司合伙人趙燕妮女士代表領取
UHPC最早是在1973年由丹麥學者Hans Henrik Bache 教授提出的。在20世紀和21世紀的歷史上，UHPC都留下的精彩的作品。UHPC是世界各地混凝土行業從業者為改進和調整材料以適應日常環境而進行的大量研究的一個成果，通過配合比、制備和施工工藝，實現其大部分的物理力學性能、化學性能可控可定制的環保節能材料。讓-馬克·威爾先生分享了其團隊剛剛才中國完成的項目——亞運會攀巖館中，UHPC材料在建筑立面的應用。項目團隊通過反復的設計和計算，盡可能的優化幾何形狀，以最大限度地節省材料并改善施工工藝過程。
▲UHPC應用項目——亞運會攀巖館
UHPC最令人印象深刻的特質是就是充分賦予結構在造型上的自由。因為致密的內部結構及用纖維代替鋼筋，UHPC可以實現非常薄的平板結構。在充分了解材料特性的基礎上，通過德國Sofistik軟件公司的有限元軟件進行分析，得以實現UHPC在復雜幾何造型中的應用。中國有一個非常漂亮的花園游樂區的案例，名為花的天堂，可以直觀感受出材料適應復雜的幾何造型的能力。
▲UHPC薄板應用案例——花的天堂花園游樂區
UHPC中的纖維增強材料主要有兩個類別：一種是有機纖維增強材料，主要用于幕墻圍護面板、非結構面板、遮陽板，以及樓梯；另一種是金屬纖維增強材料，即可以應用在非結構構件上，也可以應用在柱、梁、板、樓梯、雨棚和外殼等結構構件上，特別是在地震地區。對于部分有特殊要求，比如防火要求的特殊結構構件，可以采用有機纖維和金屬纖維復合增強UHPC。目前，在法國及歐洲，金屬纖維增強UHPC是有完整的設計規范，而有機纖維增強UHPC的設計方法也是從金屬纖維增強UHPC設計規范借鑒來的。由英國倫敦的Foster and Partners事務所設計的卡塔爾Lusail項目，在這個項目中，有機纖維增強UHPC成功應用于包括窗戶、折疊面板的幕墻維護結構。通過精準的預制和施工，包括構件與窗戶的細節、接縫寬度、幕墻防水細節等優化處理，重建視覺連續性；立面的構件的力學性能和構件的剛度來自于折疊的幾何造型，而不是通過增加面板的厚度來實現，充分節省材料的用量，體現了UHPC優秀的材料性能。
▲UHPC幕墻應用案例——卡塔爾Lusail項目
總體來說，UHPC有四種典型特性：超高抗壓強度、高抗拉強度、超低水灰比和致密的內部結構，這四種特性一起為這些材料創造了一個新的表現形式。根據壓應力-應變曲線的不同，將UHPC分為以下三類：應變軟化類、低應變硬化類和應變硬化類。造成三種不同種類的原因主要是混凝土基體內部纖維的含量和特性。在歐洲，纖維含量低的UHPC被稱為T1，這意味著計算是基于應變軟化的特性的UHPC。市場上的大部分材料均建議采用T1的材料本構關系進行計算。
▲三種UHPC的壓應力-應變曲線
金屬纖維增強UHPC本構曲線更加直觀的顯示了材料的優勢，能夠超過彈性范圍，呈現開裂后塑性強度，開裂強度主要由裂縫寬度控制。塑性本構關系是UHPC的主要特色，在歐洲的混凝土設計規范中也闡述了材料開裂后的結構性能。
▲金屬纖維增強UHPC本構曲線
有機纖維混凝土增強UHPC是一種比金屬纖維增強更脆弱更敏感的UHPC材料，但同時也有一些他有其他很強的能力，例如，當它在室外時，當它受到水的影響時，它是完全中性的，這就是為什么它經常被用于圍護結構。通過抗彎試驗分析，有機纖維采用更高的安全系數。
▲UHPC力學性能計算方法
UHPC制品的整個生產過程包括成型方案、構件的尺寸、預制過程的質量控制、控制收縮和早期開裂控制、脫模過程。UHPC制品生產和施工工藝有哪些特殊性?首先是模具的復雜性，設計過程中要考慮模具的合理性，已滿足質量要求和成本控制。控制構件收縮和變形，也是生產過程中預制工廠需要格外注意的問題。另外鑒于UHPC多應用于預制構件，合理的錨固吊裝方案也是在設計和生產過程中不可忽視的問題。同時，設計團隊必須考慮施工過程中的UHPC預制構件的臨時狀態。值得注意的是，優化的概念是UHPC設計過程的核心，通過非線性分析優化構件的形狀和厚度，在保證復雜的構件的力學性能的基礎上完成成本控制。
▲設計模擬UHPC預制構件在施工過程中的臨時狀態
接下來，讓-馬克·威爾先生分享了兩個UHPC板類構件應用案例。第一個應用案例是C&E在中國完成的第一個項目，項目所在地是深圳，使用了12000平方米的UHPC薄板作為幕墻的遮陽板。本項目使用了兩種UHPC制品：垂直的桿件采用有機纖維增強UHPC，采用傳統的方式制作的，復雜的造型對模具的要求較為嚴苛；水平桿件配有鋼筋加固，以增加地震區中板的整體剛度的同時，可以避免構件的開裂或變形。整個設計過程是不斷優化的過程，是動態調整的，設計過程記錄了結構的演變，包括造型要求、結構剛度、制作工藝、施工工藝等因素。
▲豎向構件的復雜模具
第二個UHPC板類構件同樣是采用有機纖維UHPC制成的遮陽板，項目位于倫敦國王十字路口。從可行性研究階段開始，就是一個不斷優化的過程，包括全局尺度、局部尺寸、結構優化、材料用量、是否配置加強鋼筋、如何配置加強鋼筋等反復優化。
▲通過有限元分析優化構件受力結構
同時，UHPC也是優秀的受力結構材料。扎哈·哈迪德（Zaha Hadid）在倫敦設計的辦公室樓梯中，采用了有機纖維增強UHPC制作抗彎和抗拉構件，通過一系列獨立的結構，以形成一個完整樓梯。另一個樓梯的應用案例是英國倫敦的薩默賽特宮，項目采用后張法張拉UHPC工藝，所有構件在現場進行組裝和預應力張拉。
▲扎哈·哈迪德樓梯作品
▲倫敦薩默賽特宮樓梯作品
UHPC的另一個特點是其不用于傳統混凝土的獨特的設計方法。趙燕妮女士在卡塔爾負責完成了一個穹頂項目，通過力學連接件，將穹頂的統一性轉化為一系列的UHPC構件。另外一個項目是在中國完成的裝配式大跨度預制梁。根據UHPC材料優異的抗剪能力優化了結構梁的截面，根據材料的力學性能，逐步優化翼緣厚度和腹板厚度，在梁的底部增設了預應力筋，實現截面的比例逐漸接近鋼結構。
▲預制UHPC預應力橋梁截面優化
最后分享的是位于法國阿拉斯的第一次世界大戰紀念館。這是一座周長大約是330米的建筑，其中包含120米長的弧形懸挑結構人行橋，橋梁區域采用預應力箱形UHPC懸臂結構。通過系列分析，采取一些設計優化最小化支座的扭矩，精確計算出所需要的預應力的大小，并在滿堂腳手架拆除之前在現場進行的預應力后張。
▲法國第一次世界大戰紀念館
本著公益性原則，第四屆中國混凝土大講堂對混凝土行業免費開放，協會聚焦國內外熱點研究和應用領域，跨界邀請行業內外的資深專家，在打通混凝土產業上下游方面做出了努力，取得了圓滿成功。在未來，中國混凝土大講堂將繼續致力于打造國內外最高水平的學術和技術交流平臺，將混凝土界的最新成果介紹給廣大從業人員、建筑設計師和工程師們。第五屆中國混凝土大講堂計劃將于2023年上半年舉辦。
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