先进土木工程教育部重点实验室学委会报告

热烈欢迎参加先进土木工程材料教育部重点实验室届学术委员会次会议的各位专家KeyLaboratoryofAdvancedCivilEngineeringMaterials(TongjiUniversity),MinistryofEducation工作报告吴广明先进土木工程材料教育部重点实验室研究方向和主要进展1队伍建设与人才培养2发展思路与举措3总体定位先进土木工程材料的应用基础研究研究方向和主要进展1研究方向土木工程材料的组成、结构优化和力学行为研究土木工程材料的功能化设计理论及应用基础研究土木工程节能材料的设计、制备及应用基础研究研究方向固废资源化及土木工程材料的再生循环应用研究研究方向和主要进展1方向一、土木工程材料的组成、结构优化和力学行为研究研究方向和主要进展1系统研究土木工程材料的组成-结构-性能关系，基于多尺度表征和计算机模拟，研究土木材料的微观结构形成机理、演变规律，实现土木工程材料组成和结构的调控及优化；研究土木工程材料细观力学和强度理论，研究土木工程材料全寿命周期性能演变规律和极端条件下的力学行为，研究土木工程材料的损伤断裂及增强增韧机理，研制超高强、高耐久性土木工程材料。碳纳米管与微纤的缠结作用+38%层间剪切强度一、植物纤维增强复合材料高性能化研究-纳米改性复合材料制备过程单纤维拔出测试后的失效形貌观察+31%CNTs与微纤丝缠结作用层间断裂韧性+51%+22%界面增韧机制亚麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料Ⅰ型断裂韧性破坏试样局部结构示意图混杂改性植物纤维增强复合材料层间性能

三种复合材料Ⅰ型断裂韧性的破坏试样：（a）单向亚麻复合材料（b）单向玻纤复合材料（c）单向亚麻/玻纤混杂复合材料三种复合材料（FFRP、GFRP和G-F-FRP）层间剪切强度比较一、植物纤维增强复合材料高性能化研究-混杂阻抗管测试系统与原理传递函数法阻抗管测试系统LoudspeakerMic.1Mic.2SampleRigidwallIncidentwaveReflectedwave阻抗管吸声测试原理吸声系数二、植物纤维增强复合材料结构的声学设计与制备技术研究植物纤维与人工合成纤维吸声性能单向亚麻织物吸声系数理论公式预测植物纤维的吸声系数不同直径纤维的吸声性能不同纤维密度材料的吸声系数植物纤维吸声机理二、植物纤维增强复合材料结构的声学设计与制备技术研究提出植物纤维增强复合材料声学结构设计原则外层纤维模量及密度越小，材料吸声越好吸声性能：外层纤维一样时，内层纤维模量及密度越大，材料吸声越好隔声性能：材料表面阻抗起主导作用表面阻抗相等时，内层纤维模量及密度越大，材料隔声越好面板宜采用混杂纤维铺层，铺层顺序为：小密度纤维(植物纤维)铺设在外层，大密度纤维(玻纤)铺设在内层。结论：不同混杂纤维增强复合材料夹芯结构的吸声性能不同混杂纤维增强复合材料夹芯结构的隔声性能二、植物纤维增强复合材料结构的声学设计与制备技术研究多孔结构：界面劣化：吸湿溶胀力学性能劣化基于连续介质力学框架，结合损伤耗散的思想，给出了一个植物纤维复合材料非线性本构模型。针对连续纤维复合材料，分别给出了各向同性能、纤维增强能和体积变形能，并成功预报了亚麻纤维复合材料的轴向模量损失规律。三、考虑吸湿影响的植物纤维复合材料本构模型长期性能试验施工图5研究了长期荷载作用下梁跨中变形、截面曲率、截面应变分布、预应力筋应力以及最大裂缝宽度等指标的时随变化规律四、体外预应力FRP筋高性能混凝土梁长期性能试验研究完成了体外预应力FRP筋混凝土梁500d长期性能试验长期荷载作用下，梁截面满足平截面假定。与预应力钢筋混凝土梁相比，体外预应力CFRP筋混凝土梁的跨中截面附加曲率较大。跨中挠度变形五、体外预应力FRP筋混凝土梁时随全过程分析编制了时随有限元程序程序中考虑了CFRP筋的松驰性能、体外预应力筋矢高损失和预应力筋应力变化量的计算，实现了体外预应力CFRP筋混凝土梁长期性能的时随全过程分析。15跨中变形曲线程序计算结果在荷载持续作用500d时，混凝土梁跨中变形的程序计算结果与试验结果的误差控制在9.8%以内，吻合良好。体外预应力混凝土梁长期变形：体外预应力混凝土梁最大裂缝宽度：六、提出体外预应力FRP筋混凝土梁长期性能计算理论考虑混凝土收缩、徐变和预应力筋松驰三者耦合作用，从截面内力分析和变形协调条件出发，推导了体外预应力混凝土梁长期变形和最大裂缝宽度理论计算公式。

研究方向和主要进展1方向一、土木工程材料的组成、结构优化和力学行为研究“预应力混凝土结构的创新与工程应用”获教育部高等学校科学技术进步一等奖“现代预应力混凝土结构关键技术创新与应用”获国家科技进步一等奖科研成果与贡献2

研究方向和主要进展1方向二、土木工程材料的功能化设计理论及应用基础研究研究具有自感知、自调节、自修复以及抗渗、防火、抗菌等多功能土木工程材料的设计理论和开发应用技术，研究具有本征机敏性土木工程材料的制备方法，开展具有结构-功能一体化的土木工程材料的应用基础研究，构建土木工程材料的仿生自适应体系，研究结构层次上的智能性诊断、健康监测和自防护的集成技术和评价方法。利用静电纺丝法准备钛酸钡基一维材料，系统研究各个实验参数对结构形貌的影响，通过工艺的控制与优化，实现了钛酸钡基一维材料的可控制备。钛酸钡基一维材料的可控制备钛酸锶钡纳米纤维钛酸锶钡纳米管一、钛酸钡基/聚偏氟乙烯复合材料的可控制备与储能性能的研究提出了表面羟基化、PVP对钛酸钡粉体进行表面改性钛酸钡粉体的表面改性PVP对钛酸钡表面改性钛酸钡表面羟基化改性储能特性、储能效率、放电特性的研究储能特性、储能效率放电特性二、光致发光及高温高性能铁电压电陶瓷新材料的研究Er-Yb-Mo共掺Bi7Ti4NbO21陶瓷光致发光的变色特性三、水泥基材料的微生物矿化沉积自修复及其多尺度评价研究了非脲解型微生物诱导碳酸钙矿物沉积的生物-化学过程，探明了pH值、自由钙离子浓度、菌浓度等关键参数的变化规律。对比研究了不同钙源类别的影响。菌浓度pH值自由钙离子浓度研制了微生物及钙源前体的双组分自修复剂，基本实现了毫米级混凝土微裂缝的自愈合。无修复试件，0d无修复试件，28d自修复试件，0d自修复试件，28d在宏观方面，提出了基于超声法及弯拉测试的修复评价体系。微观方面，综合采用纳米硬度技术和扫描电镜对沉积修复界面进行了分析，揭示了修复机理。宏观修复评价：

修复系数及强度恢复率微观修复评价：

界面纳米力学性能及界面形貌四、水泥基材料裂缝矿物自修复研究适用条件和假设：裂缝处于地下水结构背水面，大气与裂缝水介质充分接触，压强不变，碳酸根离子充足；化学反应速率远大于扩散传输速率，仅考虑钙离子向结晶面上的传输过程；晶核体积忽略不计，仅考虑晶体长大过程的体积变化；不考虑其他侵蚀性离子对水泥基材料的侵蚀作用，且温度不变；(1)建立了基于碳酸钙结晶的预测模型—适用条件和假设劈裂法预压法(2)提出了不同矿物材料对混凝土裂缝愈合效果的影响评价与表征(3)建立了受压荷载下自修复混凝土的二维细观力学模型修复后混凝土抗压强度提高利用所提模型，可从细观修复机理上解释及预测不同直径微胶囊自修复混凝土在受压荷载作用下的本构关系损伤-修复过程描述计算模型应力-应变关系(4)探明了受压荷载下自修复混凝土的细观破坏机理讨论了微胶囊自修复混凝土在受压荷载下微裂纹的扩展以及微胶囊的破裂机理SEM细观图像宏观物理实验等效物理模型宏观数值实验耐火：90min开发新型阻燃体系解决燃烧滴落与阻燃剂迁移两大难题耐火：90minVOC:0.3g/L五、防火防腐涂料及新型阻燃体系研究改性多聚磷酸铵研究开发了环境友好型水性钢结构超薄膨胀型防火防腐涂料

研究方向和主要进展1方向二、土木工程材料的功能化设计理论及应用基础研究“大跨度钢结构防火防腐关键技术与工程应用”获国家科技进步二等奖方向三、土木工程节能材料的设计、制备及应用基础研究研究节能建筑材料的设计与制备、使用能效监测与评价方法和寿命预测理论，研究土木工程保温隔热材料、调湿材料、储能材料、热电转化材料、光电和光控材料，研究保温体系劣化失效机理和控制方法，研究土木工程节能体系的技术集成理论和应用技术。科研成果与贡献2科研成果与贡献2

研究方向和主要进展1一、石墨烯绿色规模化制备方法及其应用技术的研究IntercalationExfoliationSeparationGreenandmassiveproductionofgraphenebasedonelectrochemistyGraphenewithdifferentstructures

ElectrophoresisseparationGraphenenanoplatesGraphenenanoballsGraphenescrollsTree-likegraphenePorousgrapheneGraphenepaper3-DframeworkgrapheneCrumpledgraphene在利用热电材料对钢筋混凝土中的钢筋实现阴极保护方面，取得突破进展二、热电转化材料在土木工程中的应用研究复合了热电材料的水泥基材料，其热电势率比CFRC材料提高了20倍，其温差电池负极向钢筋输送电子，使钢筋处于热力学稳态区。该方法无需牺牲阳极、无需消耗外部电能、且经久耐用。成果对钢筋混凝土结构的低成本防护、延长结构寿命和耐久性具有重要现实意义。热电能源转换材料的最优化载流子浓度理论提出并实验证明最优化载流子浓度(n*)取决于温度(T)和载流子有效质量(m*)，即n*~(Tm*)1.5，为设计高性能(zT)材料提供了指导。Pei,Y.,etal.(2014)AdvancedEnergyMaterials2014,4,1400486.37城市淤泥陶粒联产轻质砌块三、发明了城市淤泥轻质陶粒及陶粒自保温砌块生产关键技术开发出城市淤泥轻质砌块及高效节能轻质自保温砌块城市淤泥淤泥陶粒淤泥陶粒轻质砌块针对国际上一直未解决的城市淤泥淤泥烧制过程中不易烧胀与余热回收难题技术发明实施效果多级孔径挤压造粒陶粒粒径均匀、可调低温预热-快速焙烧-分段冷却工艺煅烧质量稳定发明了陶粒冷却-加热两用回转窑能耗低无污染发明了窑尾烟气及预热回收装置无机保温砂浆技术满足标准要求的玉米棒芯-无机保温砂浆（A级不燃，λ=0.055W/m.K）

四、农村固体废弃物制备保温砂浆体系研究科研成果与贡献2科研成果与贡献2科研成果与贡献2

研究方向和主要成果1方向三、土木工程节能材料的设计、制备及应用基础研究提出并证明了热电能源转换材料的最优化载流子浓度的普适性规律：Pei,Y.,etal.(2014)AdvancedEnergyMaterials2014,4,1400486(IF=14.385)科研成果与贡献2科研成果与贡献2科研成果与贡献2

研究方向和主要成果1方向四、固废资源化及土木工程材料再生循环应用研究研究低品位原料高性能化的原理和技术，研究利用各类固体废弃物生产和制备高性能土木工程材料的工艺参数和技术途径，最大程度地实现固体废弃物的资源化，研究重金属离子在土木工程材料中的结合形态、渗滤机制及其控制机理，建立利用固体废弃物制备的土木工程材料的安全技术指标和评价方法；研究再生混凝土力学性能的劣化机理及控制理论，研究可循环全再生土木工程材料的设计理论和应用技术。一、再生骨料混凝土的损伤劣化和破坏机理研究二、系统研究了再生骨料混凝土的疲劳性能三、再生混凝土冲击荷载下动力性能应变速率的影响相同：裂缝出现界面相异：应变率较低时，MRC中经常出现分别沿着新老界面发展的两条平行裂缝，而在较高应变率下，一般只沿着一种界面区发展。成为使得再生砼强度较低的因素之一的多界面，在速度较高时影响不大。速率低速率高应力-应变曲线

（a）MRC20（b）MRC30（c）MRC40全曲线形状相似峰值应力和弹性模量有增大的趋势峰值应变规律不明显四、工业废弃物的资源化利用机械-热作用下化学诱导激活效应EE1E2诱导激发离子或分子磷矿渣介稳态复合体系激发后的磷矿渣介稳态复合体系——提出磷矿渣的机械-热-化学复合高效激发理论与新方法确定了磷矿渣品位与高效活性激发理论与诱导激活方法降低了水化反应的反应势能，提高了化学活性；加速了磷矿渣中玻璃相的解聚与溶解，提高早期和后期活性；1d——探明了磷矿渣粉界面结构改善与长期耐久性提高机理阐明了磷矿渣活性本源与协同调制机理——建筑基坑淤泥烧结多孔砖生产关键技术干容重1200kg/m3，平均抗压强度16.8MPa，抗风化性能吸水率为18%，性能优于MU10