超高性能活性粉末混凝土材料与结构助力实现双碳目标

无忧课题
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2024-07-10 11:11:26

  混凝土是各类土木建筑工程中用量最多、使用范围最广的建筑材料。传统的混凝土材料存在强度低、耐久性不足等问题,无法满足工程结构高性能化发展的需求和极端环境下结构使用寿命的要求。开发具有高强、高韧性和高耐久的混凝土材料及其相适应的结构体系,有利于实现土木结构的轻量化、长寿命化、节材、节能,符合土木工程低碳、可持续发展的要求。

  东北电力大学高性能土木工程工程材料与结构研究团队自2005年开始高性能活性粉末混凝土的制备,活性粉末混凝土构件及结构体系设计研究,先后与中建一局建设发展有限公司、海南电网有限公司电力科学研究院、国网福建电力有限公司经济技术研究院等单位合作开展校企联合研发工作。在低碳生态型活性粉末混凝土材料制备、宏观微观性能预测、高性能活性粉末混凝土结构设计等方面取得了显著科技进步,创造性地解决了不同强度等级多元胶凝体系活性粉末混凝土材料设计、纤维分散不均、易结团的技术难题,成功研制出了高耐久性轻质大弯矩电杆、装配式叠合结构等系列产品并顺利实现了工业化生产。该技术荣获2023年度吉林省科技进步奖一等奖。

  图1 基于紧密堆积理论的多尺度多元胶凝体系水化硬化机理

  图2 高性能活性粉末混凝土结构。(a)预制活性粉末混凝土永久模板,(b)高延性装配式框架抗震性能试验验证,(c)高耐久性薄壁大弯矩活性粉末混凝土电杆,(d)新型框架节点构造与高延性机理,(e)活性粉末混凝土电杆截面应变分布及承载力极限状态应力分布图。

  团队研发了矿物掺合料活性激发技术和多尺度多元最紧密胶凝体系设计方法,薄壁混凝土构件离心挤压生产技术、活性粉末混凝土节点抗震设计技术等创新技术,建立了多因素耦合作用下钢筋-活性粉末混凝土粘结性能退化模型,U形预制活性粉末混凝土免拆模板及高延性活性粉末混凝土叠合结构设计方法。研发的多尺度多元胶凝体系固废掺量达60%,研究成果被应用于多家混凝土制品企业,近三年累计生产预制叠合梁、叠合板、电杆等产品30余万立方米,实现了大量固废的资源化利用,减少了能源消耗及碳排放。研制出的高耐久性轻质大弯矩电杆及其生产技术,使电杆生产材料用量节约30%,能耗降低20%。电杆耐久性提升50%以上,在沿海等高侵蚀环境运行多年,电杆经受多次台风考验,未出现开裂和腐蚀迹象。

  活性粉末混凝土以其超高强度、高韧性和良好的耐久性等优点被誉为“低碳混凝土”的代表。随着低碳建筑在全球的兴起以及我国《质量强国建设纲要》的贯彻落实,具有显著优势的超高性能混凝土,在定当在工程建设中发挥重要作用。该项目第一完成人王德弘教授介绍说,随着国家工程建设挺进“深海、深地、深空”和“极地、高原”等特殊环境,超高性能混凝土必将迎来更大的发展机遇,在重大工程建设中大放异彩。(科学技术奖励处)