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2017年标志性成果

发布时间:2018-03-22

1深远海混凝土材料设计、性能评价与应用技术

紧密围绕国家“海洋强国”、“一带一路”等重大战略部署,在国家“973”计划课题、国家科技支撑计划课题、国家“十三五”重大科技专项课题等科研课题支撑下,开展国防工程抢修抢建材料、深远海岛礁工程建设材料设计理论与应用技术研究,在2014年度国家科技进步二等奖(国防专用项目)获奖成果基础上,建成了世界首个深远海岛礁混凝土材料与构件长期性能跟踪试验观测站,研发的适应深远海环境的系列混凝土材料在岛礁工程建设获得应用,有力支撑了深远海重大基础设施建设。

深远海环境条件与陆地环境条件存在巨大的差别,因此,水泥基材料的水化硬化、结构和强度形成、性质随时间的演化,在不同的环境条件下必然会呈现出不同的规律性。掌握典型建筑材料(如混凝土材料)及其构件在海洋环境下的物理化学性质、服役性能,对于实现安全耐久、环境友好的海洋开发和岛礁建设具有重要意义。但长期以来,我国尚没有在远海区域建立较为系统完整的典型建筑材料和构件暴露试验站,而主要依靠实验室模拟的环境条件和沿海地区的几个暴露试验站,开展相关的研究。从实际效果看,缺乏远海实际环境条件的研究工作表现出一定的局限性。

根据国家海洋强国战略部署,策划并承担了国家重点研发计划“XXXX建筑材料与构件长期性能跟踪观测与数据管理”项目,在远海岛礁建设了我国首个远海建筑材料和构件暴露试验站,并在该站开展了系统的混凝土材料长期性能跟踪观测试验研究。通过陆地、沿海、远海环境条件对比,不同材料组成对比,不同龄期下结构和性能变化的对比,以人工采集和智能化自动采集相结合,逐步取得大量的有关混凝土材料和构件的物理、力学、化学、环境方面的数据,并进行数据分析、加工和共享,为现有混凝土结构服役耐久性评估和今后海洋工程建设的材料选择和材料设计提供科学依据。

基于深远海暴露试验研究,提出采用纳米水滑石插层材料的层状结构特性,以及离子交换和结构重建的化学特性,制备出具有选择结合碳酸根、硫酸根和氯离子特性的多功能添加剂,从而获得了具有本征多重防御(碳化、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀)能力的海洋混凝土材料。发展了海洋工程结构模板—FRP衬膜一体化保护层技术,在建筑支模过程中将FRP材料制备技术与模板搭建结合起来,在混凝土结构物外表面形成模板—FRP衬膜一体化保护层,有效隔绝了侵蚀介质对混凝土的有害作用。建立了内、外结合的综合耐久性提升技术措施,构建了海洋环境下混凝土结构的多重防御体系。

针对深远海岛礁工程混凝土用原材料(砂、石、拌合水等)供应困难、成本较高等问题,提出采用珊瑚礁砂和海水拌合制备海燕工程混凝土的新思路,研究了以珊瑚礁砂和海水为原料配制混凝土设计和制备技术,提出采用浆体包裹多孔集料新技术,大大改善了骨料—水泥浆体界面,制备了力学性能和耐久性能优良的海工混凝土;创新性地将高吸水性树脂吸收海水后成球,并经表面处理制成“海水集料”,成功应用于岛礁工程混凝土,减少了60%以上建筑材料远海运输量,大大降低了工程成本,提高了建设效率。

针对机场和岛礁工程抢修抢建需求,开展无机聚合物修补材料设计、制备和应用研究。针对无机聚合物混凝土存在的碱金属离子过多导致的泛碱、收缩、碱集料反应等问题,设计引入离子交换材料,通过离子的吸附交换,有效提升无机聚合物混凝土的性能;通过MgO-CaO矿物复合补偿收缩的改性与调控,制备出无收缩无机聚合物胶凝材料。以上技术的突破,为无机聚合物材料在沿海重要工程抢修抢建中的应用提供了保障。

上述成果在国际学术刊物发表学术研究论文30余篇,在我国南海建成国际首个混凝土结构与材料深远海暴露试验站,对于探索混凝土材料在极端条件下的服役行为提供了极为重要的支撑。

2重大工程机制砂混凝土设计与高性能化技术

当前我国水泥混凝土用砂资源严重不足、地域分布不均、优质天然河砂开采破坏环境等问题十分突出,造成大部地区特别是西部缺砂地区重大工程建设面临原材料资源紧缺的重大需求,实验室在国内最早提出和发展了建筑工程石渣制备人工机制砂的创新思路,研究突破了传统机制砂砂粒与石粉统一表征、严格限制石粉含量来控制机制砂含泥量、控制细集料SiO2含量与石粉含量来保证混凝土综合性能等重大技术与应用局限,国内首创建立了基于砂粒与石粉分开表征的机制砂质量控制体系。基于机制砂混凝土中石粉的“量-质”耦合效应,充分利用石粉的填充、保水、增粘等作用,通过调查、室内外试验、理论分析并结合工程应用,系统研究并解决了机制砂混凝土推广应用中存在的石粉含量控制过严、机制砂混凝土耐磨性不高、机制砂混凝土难以高性能化等关键技术难题。

研究建立了以砂粒和石粉分别表征的机制砂质量指标和评价方法体系,探明了机制砂中石粉各指标的波动范围与相互关系及其对机制砂混凝土性能的影响规律;揭示了机制砂中石粉的含量与亚甲蓝(MB)值分别对混凝土工作性能、力学性能、体积稳定性及耐久性能的耦合作用规律,提出了不同强度等级混凝土用机制砂的石粉MB值与含量的限值;揭示了机制砂特性与路面机制砂混凝土弯拉强度和耐磨性关系,提出了路面用机制砂的技术要求,形成了高弯拉强度、高耐磨性路面机制砂混凝土的配制方法;研发了机制砂生产中粒形、级配、压碎值、石粉 含量与MB值等指标调控的关键技术,实现了碎石与机制砂高效联产。

基于本成果发表国际学术刊物论文16篇,人工机制砂技术在全国10余座大型桥梁、20余条高速公路建设工程中应用,解决了在缺少河砂的大部地区以及当前优质原材料资源十分紧缺形势下国家重点工程建设的重大需求,应用机制砂混凝土2000余万m3,利用石渣1150m3,创造直接经济效益超过10亿元,节约天然河砂资源1200m3,获2017年度中国公路学会科学技术奖一等奖1项。

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