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1、热 烈 欢 迎 参加先进土木工程材料教育部重点实验室 第三届学术委员会第二次会议的各位专家,Key Laboratory of Advanced Civil Engineering Materials (Tongji University), Ministry of Education,工作报告,吴广明,先进土木工程材料教育部重点实验室,总体定位,先进土木工程材料的应用基础研究,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,方向一、土木工程材料的
2、组成、结构优化和力学行为研究,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,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,界面增韧机制,亚麻纤维/玻璃纤维混杂复合材料型断裂韧性破坏试样局部结构示意图,混
3、杂改性植物纤维增强复合材料层间性能,三种复合材料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,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
4、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
5、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,15,五、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
6、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。,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。,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
7、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,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
8、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。
9、 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
10、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,(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
11、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：90min,VOC: 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,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
12、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。,一、石墨烯绿色规模化制备方法及其应用技术的研究,Intercalation Exfoliation Separation Green and massive production of graphene based on electrochemisty,Graphene with different structures,Electrophoresis separation,Graphene nanoplates,Graphene nanoballs,Graphene scrolls,Tree-like g
13、raphene,Porous graphene,Graphene paper,3-D framework graphene,Crumpled graphene,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。,37,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
14、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., et al. (2014) Advanced Energy Materials 2014, 4, 1400486.,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,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， =0.055W/m.K）,四、农村固体废弃物制备保温砂浆体系研究
15、,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., et al. (2014) Advanced Energy Materials 2014, 4, 1400486 (IF=14.385),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
16、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,E,E1,E2,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
