先進(jìn)土木工程教育部重點實驗室學(xué)委會報告

熱烈歡迎參加先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室屆學(xué)術(shù)委員會次會議的各位專家KeyLaboratoryofAdvancedCivilEngineeringMaterials(TongjiUniversity),MinistryofEducation工作報告吳廣明先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室研究方向和主要進(jìn)展1隊伍建設(shè)與人才培養(yǎng)2發(fā)展思路與舉措3總體定位先進(jìn)土木工程材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究研究方向和主要進(jìn)展1研究方向土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和力學(xué)行為研究土木工程材料的功能化設(shè)計理論及應(yīng)用基礎(chǔ)研究土木工程節(jié)能材料的設(shè)計、制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究研究方向固廢資源化及土木工程材料的再生循環(huán)應(yīng)用研究研究方向和主要進(jìn)展1方向一、土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和力學(xué)行為研究研究方向和主要進(jìn)展1系統(tǒng)研究土木工程材料的組成-結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，基于多尺度表征和計算機(jī)模擬，研究土木材料的微觀結(jié)構(gòu)形成機(jī)理、演變規(guī)律，實現(xiàn)土木工程材料組成和結(jié)構(gòu)的調(diào)控及優(yōu)化；研究土木工程材料細(xì)觀力學(xué)和強(qiáng)度理論，研究土木工程材料全壽命周期性能演變規(guī)律和極端條件下的力學(xué)行為，研究土木工程材料的損傷斷裂及增強(qiáng)增韌機(jī)理，研制超高強(qiáng)、高耐久性土木工程材料。碳納米管與微纖的纏結(jié)作用+38%層間剪切強(qiáng)度一、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高性能化研究-納米改性復(fù)合材料制備過程單纖維拔出測試后的失效形貌觀察+31%CNTs與微纖絲纏結(jié)作用層間斷裂韌性+51%+22%界面增韌機(jī)制亞麻纖維/玻璃纖維混雜復(fù)合材料Ⅰ型斷裂韌性破壞試樣局部結(jié)構(gòu)示意圖混雜改性植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層間性能

三種復(fù)合材料Ⅰ型斷裂韌性的破壞試樣：（a）單向亞麻復(fù)合材料（b）單向玻纖復(fù)合材料（c）單向亞麻/玻纖混雜復(fù)合材料三種復(fù)合材料（FFRP、GFRP和G-F-FRP）層間剪切強(qiáng)度比較一、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料高性能化研究-混雜阻抗管測試系統(tǒng)與原理傳遞函數(shù)法阻抗管測試系統(tǒng)LoudspeakerMic.1Mic.2SampleRigidwallIncidentwaveReflectedwave阻抗管吸聲測試原理吸聲系數(shù)二、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計與制備技術(shù)研究植物纖維與人工合成纖維吸聲性能單向亞麻織物吸聲系數(shù)理論公式預(yù)測植物纖維的吸聲系數(shù)不同直徑纖維的吸聲性能不同纖維密度材料的吸聲系數(shù)植物纖維吸聲機(jī)理二、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計與制備技術(shù)研究提出植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料聲學(xué)結(jié)構(gòu)設(shè)計原則外層纖維模量及密度越小，材料吸聲越好吸聲性能：外層纖維一樣時，內(nèi)層纖維模量及密度越大，材料吸聲越好隔聲性能：材料表面阻抗起主導(dǎo)作用表面阻抗相等時，內(nèi)層纖維模量及密度越大，材料隔聲越好面板宜采用混雜纖維鋪層，鋪層順序為：小密度纖維(植物纖維)鋪設(shè)在外層，大密度纖維(玻纖)鋪設(shè)在內(nèi)層。結(jié)論：不同混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的吸聲性能不同混雜纖維增強(qiáng)復(fù)合材料夾芯結(jié)構(gòu)的隔聲性能二、植物纖維增強(qiáng)復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的聲學(xué)設(shè)計與制備技術(shù)研究多孔結(jié)構(gòu)：界面劣化：吸濕溶脹力學(xué)性能劣化基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)框架，結(jié)合損傷耗散的思想，給出了一個植物纖維復(fù)合材料非線性本構(gòu)模型。針對連續(xù)纖維復(fù)合材料，分別給出了各向同性能、纖維增強(qiáng)能和體積變形能，并成功預(yù)報了亞麻纖維復(fù)合材料的軸向模量損失規(guī)律。三、考慮吸濕影響的植物纖維復(fù)合材料本構(gòu)模型長期性能試驗施工圖5研究了長期荷載作用下梁跨中變形、截面曲率、截面應(yīng)變分布、預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力以及最大裂縫寬度等指標(biāo)的時隨變化規(guī)律四、體外預(yù)應(yīng)力FRP筋高性能混凝土梁長期性能試驗研究完成了體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁500d長期性能試驗長期荷載作用下，梁截面滿足平截面假定。與預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土梁相比，體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁的跨中截面附加曲率較大?？缰袚隙茸冃挝?、體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁時隨全過程分析編制了時隨有限元程序程序中考慮了CFRP筋的松馳性能、體外預(yù)應(yīng)力筋矢高損失和預(yù)應(yīng)力筋應(yīng)力變化量的計算，實現(xiàn)了體外預(yù)應(yīng)力CFRP筋混凝土梁長期性能的時隨全過程分析。15跨中變形曲線程序計算結(jié)果在荷載持續(xù)作用500d時，混凝土梁跨中變形的程序計算結(jié)果與試驗結(jié)果的誤差控制在9.8%以內(nèi)，吻合良好。體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁長期變形：體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁最大裂縫寬度：六、提出體外預(yù)應(yīng)力FRP筋混凝土梁長期性能計算理論考慮混凝土收縮、徐變和預(yù)應(yīng)力筋松馳三者耦合作用，從截面內(nèi)力分析和變形協(xié)調(diào)條件出發(fā)，推導(dǎo)了體外預(yù)應(yīng)力混凝土梁長期變形和最大裂縫寬度理論計算公式。

研究方向和主要進(jìn)展1方向一、土木工程材料的組成、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和力學(xué)行為研究“預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)的創(chuàng)新與工程應(yīng)用”獲教育部高等學(xué)校科學(xué)技術(shù)進(jìn)步一等獎“現(xiàn)代預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)創(chuàng)新與應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步一等獎科研成果與貢獻(xiàn)2

研究方向和主要進(jìn)展1方向二、土木工程材料的功能化設(shè)計理論及應(yīng)用基礎(chǔ)研究研究具有自感知、自調(diào)節(jié)、自修復(fù)以及抗?jié)B、防火、抗菌等多功能土木工程材料的設(shè)計理論和開發(fā)應(yīng)用技術(shù)，研究具有本征機(jī)敏性土木工程材料的制備方法，開展具有結(jié)構(gòu)-功能一體化的土木工程材料的應(yīng)用基礎(chǔ)研究，構(gòu)建土木工程材料的仿生自適應(yīng)體系，研究結(jié)構(gòu)層次上的智能性診斷、健康監(jiān)測和自防護(hù)的集成技術(shù)和評價方法。利用靜電紡絲法準(zhǔn)備鈦酸鋇基一維材料，系統(tǒng)研究各個實驗參數(shù)對結(jié)構(gòu)形貌的影響，通過工藝的控制與優(yōu)化，實現(xiàn)了鈦酸鋇基一維材料的可控制備。鈦酸鋇基一維材料的可控制備鈦酸鍶鋇納米纖維鈦酸鍶鋇納米管一、鈦酸鋇基/聚偏氟乙烯復(fù)合材料的可控制備與儲能性能的研究提出了表面羥基化、PVP對鈦酸鋇粉體進(jìn)行表面改性鈦酸鋇粉體的表面改性PVP對鈦酸鋇表面改性鈦酸鋇表面羥基化改性儲能特性、儲能效率、放電特性的研究儲能特性、儲能效率放電特性二、光致發(fā)光及高溫高性能鐵電壓電陶瓷新材料的研究Er-Yb-Mo共摻Bi7Ti4NbO21陶瓷光致發(fā)光的變色特性三、水泥基材料的微生物礦化沉積自修復(fù)及其多尺度評價研究了非脲解型微生物誘導(dǎo)碳酸鈣礦物沉積的生物-化學(xué)過程，探明了pH值、自由鈣離子濃度、菌濃度等關(guān)鍵參數(shù)的變化規(guī)律。對比研究了不同鈣源類別的影響。菌濃度pH值自由鈣離子濃度研制了微生物及鈣源前體的雙組分自修復(fù)劑，基本實現(xiàn)了毫米級混凝土微裂縫的自愈合。無修復(fù)試件，0d無修復(fù)試件，28d自修復(fù)試件，0d自修復(fù)試件，28d在宏觀方面，提出了基于超聲法及彎拉測試的修復(fù)評價體系。微觀方面，綜合采用納米硬度技術(shù)和掃描電鏡對沉積修復(fù)界面進(jìn)行了分析，揭示了修復(fù)機(jī)理。宏觀修復(fù)評價：

修復(fù)系數(shù)及強(qiáng)度恢復(fù)率微觀修復(fù)評價：

界面納米力學(xué)性能及界面形貌四、水泥基材料裂縫礦物自修復(fù)研究適用條件和假設(shè)：裂縫處于地下水結(jié)構(gòu)背水面，大氣與裂縫水介質(zhì)充分接觸，壓強(qiáng)不變，碳酸根離子充足；化學(xué)反應(yīng)速率遠(yuǎn)大于擴(kuò)散傳輸速率，僅考慮鈣離子向結(jié)晶面上的傳輸過程；晶核體積忽略不計，僅考慮晶體長大過程的體積變化；不考慮其他侵蝕性離子對水泥基材料的侵蝕作用，且溫度不變；(1)建立了基于碳酸鈣結(jié)晶的預(yù)測模型—適用條件和假設(shè)劈裂法預(yù)壓法(2)提出了不同礦物材料對混凝土裂縫愈合效果的影響評價與表征(3)建立了受壓荷載下自修復(fù)混凝土的二維細(xì)觀力學(xué)模型修復(fù)后混凝土抗壓強(qiáng)度提高利用所提模型，可從細(xì)觀修復(fù)機(jī)理上解釋及預(yù)測不同直徑微膠囊自修復(fù)混凝土在受壓荷載作用下的本構(gòu)關(guān)系損傷-修復(fù)過程描述計算模型應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系(4)探明了受壓荷載下自修復(fù)混凝土的細(xì)觀破壞機(jī)理討論了微膠囊自修復(fù)混凝土在受壓荷載下微裂紋的擴(kuò)展以及微膠囊的破裂機(jī)理SEM細(xì)觀圖像宏觀物理實驗等效物理模型宏觀數(shù)值實驗?zāi)突穑?0min開發(fā)新型阻燃體系解決燃燒滴落與阻燃劑遷移兩大難題耐火：90minVOC:0.3g/L五、防火防腐涂料及新型阻燃體系研究改性多聚磷酸銨研究開發(fā)了環(huán)境友好型水性鋼結(jié)構(gòu)超薄膨脹型防火防腐涂料

研究方向和主要進(jìn)展1方向二、土木工程材料的功能化設(shè)計理論及應(yīng)用基礎(chǔ)研究“大跨度鋼結(jié)構(gòu)防火防腐關(guān)鍵技術(shù)與工程應(yīng)用”獲國家科技進(jìn)步二等獎方向三、土木工程節(jié)能材料的設(shè)計、制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究研究節(jié)能建筑材料的設(shè)計與制備、使用能效監(jiān)測與評價方法和壽命預(yù)測理論，研究土木工程保溫隔熱材料、調(diào)濕材料、儲能材料、熱電轉(zhuǎn)化材料、光電和光控材料，研究保溫體系劣化失效機(jī)理和控制方法，研究土木工程節(jié)能體系的技術(shù)集成理論和應(yīng)用技術(shù)。科研成果與貢獻(xiàn)2科研成果與貢獻(xiàn)2

研究方向和主要進(jìn)展1一、石墨烯綠色規(guī)?；苽浞椒捌鋺?yīng)用技術(shù)的研究IntercalationExfoliationSeparationGreenandmassiveproductionofgraphenebasedonelectrochemistyGraphenewithdifferentstructures

ElectrophoresisseparationGraphenenanoplatesGraphenenanoballsGraphenescrollsTree-likegraphenePorousgrapheneGraphenepaper3-DframeworkgrapheneCrumpledgraphene在利用熱電材料對鋼筋混凝土中的鋼筋實現(xiàn)陰極保護(hù)方面，取得突破進(jìn)展二、熱電轉(zhuǎn)化材料在土木工程中的應(yīng)用研究復(fù)合了熱電材料的水泥基材料，其熱電勢率比CFRC材料提高了20倍，其溫差電池負(fù)極向鋼筋輸送電子，使鋼筋處于熱力學(xué)穩(wěn)態(tài)區(qū)。該方法無需犧牲陽極、無需消耗外部電能、且經(jīng)久耐用。成果對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的低成本防護(hù)、延長結(jié)構(gòu)壽命和耐久性具有重要現(xiàn)實意義。熱電能源轉(zhuǎn)換材料的最優(yōu)化載流子濃度理論提出并實驗證明最優(yōu)化載流子濃度(n*)取決于溫度(T)和載流子有效質(zhì)量(m*)，即n*~(Tm*)1.5，為設(shè)計高性能(zT)材料提供了指導(dǎo)。Pei,Y.,etal.(2014)AdvancedEnergyMaterials2014,4,1400486.37城市淤泥陶粒聯(lián)產(chǎn)輕質(zhì)砌塊三、發(fā)明了城市淤泥輕質(zhì)陶粒及陶粒自保溫砌塊生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)出城市淤泥輕質(zhì)砌塊及高效節(jié)能輕質(zhì)自保溫砌塊城市淤泥淤泥陶粒淤泥陶粒輕質(zhì)砌塊針對國際上一直未解決的城市淤泥淤泥燒制過程中不易燒脹與余熱回收難題技術(shù)發(fā)明實施效果多級孔徑擠壓造粒陶粒粒徑均勻、可調(diào)低溫預(yù)熱-快速焙燒-分段冷卻工藝煅燒質(zhì)量穩(wěn)定發(fā)明了陶粒冷卻-加熱兩用回轉(zhuǎn)窯能耗低無污染發(fā)明了窯尾煙氣及預(yù)熱回收裝置無機(jī)保溫砂漿技術(shù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的玉米棒芯-無機(jī)保溫砂漿（A級不燃，λ=0.055W/m.K）

四、農(nóng)村固體廢棄物制備保溫砂漿體系研究科研成果與貢獻(xiàn)2科研成果與貢獻(xiàn)2科研成果與貢獻(xiàn)2

研究方向和主要成果1方向三、土木工程節(jié)能材料的設(shè)計、制備及應(yīng)用基礎(chǔ)研究提出并證明了熱電能源轉(zhuǎn)換材料的最優(yōu)化載流子濃度的普適性規(guī)律：Pei,Y.,etal.(2014)AdvancedEnergyMaterials2014,4,1400486(IF=14.385)科研成果與貢獻(xiàn)2科研成果與貢獻(xiàn)2科研成果與貢獻(xiàn)2

研究方向和主要成果1方向四、固廢資源化及土木工程材料再生循環(huán)應(yīng)用研究研究低品位原料高性能化的原理和技術(shù)，研究利用各類固體廢棄物生產(chǎn)和制備高性能土木工程材料的工藝參數(shù)和技術(shù)途徑，最大程度地實現(xiàn)固體廢棄物的資源化，研究重金屬離子在土木工程材料中的結(jié)合形態(tài)、滲濾機(jī)制及其控制機(jī)理，建立利用固體廢棄物制備的土木工程材料的安全技術(shù)指標(biāo)和評價方法；研究再生混凝土力學(xué)性能的劣化機(jī)理及控制理論，研究可循環(huán)全再生土木工程材料的設(shè)計理論和應(yīng)用技術(shù)。一、再生骨料混凝土的損傷劣化和破壞機(jī)理研究二、系統(tǒng)研究了再生骨料混凝土的疲勞性能三、再生混凝土沖擊荷載下動力性能應(yīng)變速率的影響相同：裂縫出現(xiàn)界面相異：應(yīng)變率較低時，MRC中經(jīng)常出現(xiàn)分別沿著新老界面發(fā)展的兩條平行裂縫，而在較高應(yīng)變率下，一般只沿著一種界面區(qū)發(fā)展。成為使得再生砼強(qiáng)度較低的因素之一的多界面，在速度較高時影響不大。速率低速率高應(yīng)力-應(yīng)變曲線

（a）MRC20（b）MRC30（c）MRC40全曲線形狀相似峰值應(yīng)力和彈性模量有增大的趨勢峰值應(yīng)變規(guī)律不明顯四、工業(yè)廢棄物的資源化利用機(jī)械-熱作用下化學(xué)誘導(dǎo)激活效應(yīng)EE1E2誘導(dǎo)激發(fā)離子或分子磷礦渣介穩(wěn)態(tài)復(fù)合體系激發(fā)后的磷礦渣介穩(wěn)態(tài)復(fù)合體系——提出磷礦渣的機(jī)械-熱-化學(xué)復(fù)合高效激發(fā)理論與新方法確定了磷礦渣品位與高效活性激發(fā)理論與誘導(dǎo)激活方法降低了水化反應(yīng)的反應(yīng)勢能，提高了化學(xué)活性；加速了磷礦渣中玻璃相的解聚與溶解，提高早期和后期活性；1d——探明了磷礦渣粉界面結(jié)構(gòu)改善與長期耐久性提高機(jī)理闡明了磷礦渣活性本源與協(xié)同調(diào)制機(jī)理——建筑基坑淤泥燒結(jié)多孔磚生產(chǎn)關(guān)鍵技術(shù)干容重1200kg/m3，平均抗壓強(qiáng)度16.8MPa，抗風(fēng)化性能吸水率為18%，性能優(yōu)于MU10