我國每年產(chǎn)生的廢舊混凝土超25億噸，且每年以8%的速度增加，環(huán)境壓力巨大，實(shí)現(xiàn)廢舊混凝土的資源化利用迫在眉睫，其高效消納不僅響應(yīng)了國家節(jié)能減排和可持續(xù)發(fā)展理念，也是實(shí)現(xiàn)“雙碳”戰(zhàn)略目標(biāo)的重要途徑。

　　研究表明，當(dāng)前再生混凝土應(yīng)用現(xiàn)狀存在再生骨料品質(zhì)不佳、配制機(jī)制不明、產(chǎn)業(yè)化配套工藝與設(shè)備缺乏等技術(shù)瓶頸。針對這些問題，我們團(tuán)隊(duì)聯(lián)合中國建筑第七工程局有限公司、中鐵七局集團(tuán)有限公司、河南交通投資集團(tuán)有限公司等單位，踐行“產(chǎn)-學(xué)-研-用”融合創(chuàng)新理念，按照“高品質(zhì)粗骨料研制—再生水泥及水泥基材料研發(fā)—再生混凝土配制及性能提升—再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—再生混凝土產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)—成套設(shè)備集成創(chuàng)新—產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用—智慧設(shè)計(jì)應(yīng)用平臺搭建”全鏈條研發(fā)思路，在國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目等項(xiàng)目支持下取得系列原創(chuàng)性成果，研究成果的推廣與應(yīng)用提升了廢舊混凝土消納水平及利用附加值，拓展了其應(yīng)用領(lǐng)域及范圍。該研究成果相續(xù)獲得工程建設(shè)科學(xué)技術(shù)成果一等獎、河南省科技進(jìn)步獎二等獎等獎勵，并在交通運(yùn)輸、土木工程、水利工程等領(lǐng)域50余項(xiàng)工程中得到應(yīng)用與推廣，社會經(jīng)濟(jì)、生態(tài)效益顯著。

　　在再生混凝土領(lǐng)域，我們從理論到實(shí)踐走出了一條自主創(chuàng)新之路，設(shè)計(jì)了一套獨(dú)具特色的“中國方案”，這套方案主要有五大創(chuàng)新亮點(diǎn)。

　　亮點(diǎn)一：提出了一套高品質(zhì)混凝土再生粗骨料制備方法與分形評價(jià)體系，研制了一系列綠色再生水泥及低碳高性能再生水泥基復(fù)合材料。

　　建立了再生粗骨料分形評價(jià)體系：確定了軸向系數(shù)、片狀系數(shù)、球度、均勻度、比表面積及糙度6個再生粗骨料形狀指標(biāo)參數(shù)，探究了不同形狀指標(biāo)參數(shù)對再生粗骨料物理性能的影響規(guī)律;構(gòu)建了不同類型再生骨料的3D模型，基于力學(xué)試驗(yàn)及微觀分析，揭示了再生粗骨料對混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)理;探明了物相組分、界面結(jié)構(gòu)等微觀特征對再生混凝土力學(xué)性能的影響機(jī)制，構(gòu)建了再生粗骨料品質(zhì)提升量化指標(biāo)分形評價(jià)體系，為再生粗骨料包裹砂漿高效去除設(shè)備研制提供理論支撐與技術(shù)支持。

　　再生粗骨料品質(zhì)與混凝土力學(xué)性能關(guān)系

　　研發(fā)了一套再生粗骨料包裹砂漿高效去除設(shè)備：基于Python和ABAQUS建立了再生混凝土五相隨機(jī)骨料模型，揭示了不同受力狀態(tài)下附著砂漿剝離機(jī)制;提出了再生粗骨料包裹砂漿表面覆蓋率測定方法，首次將包裹砂漿覆蓋率定量化、參數(shù)化，為包裹砂漿高效去除設(shè)備研發(fā)提供理論支撐與技術(shù)支持;量化了再生骨料入射速度及角度、襯板性能參數(shù)等，提出了撞擊破碎、二次研磨的“撞擊+研磨”再生粗骨料高品質(zhì)制備工藝，顯著提高了包裹砂漿去除效率(80%以上)，并達(dá)到最佳顆粒整形效果。

　　再生混凝土五相隨機(jī)骨料模型

　　研磨機(jī)研發(fā)

　　提出了物理-化學(xué)協(xié)同增強(qiáng)再生粗骨料品質(zhì)提升方法：分別從宏觀、微觀層次揭示了機(jī)械研磨協(xié)同納米SiO?溶液預(yù)浸作用下再生粗骨料性能提升機(jī)理;提出了物理-化學(xué)協(xié)同增強(qiáng)再生粗骨料品質(zhì)提升技術(shù)，改善了再生粗骨料物理性能指標(biāo)，壓碎值降低33%以上，吸水率降低28%以上。

　　物理-化學(xué)協(xié)同增強(qiáng)再生骨料

　　納米SiO?溶液強(qiáng)化再生粗骨料物理性能

　　研發(fā)了一系列綠色再生水泥，研制了低碳高性能再生水泥基復(fù)合材料：以廢舊混凝土細(xì)小顆粒及砂漿為基材，基于堿激發(fā)、機(jī)械研磨、納米SiO?改性等成套技術(shù)，研發(fā)了多種新型再生綠色膠凝材料;建立了纖維和納米粒子改性低碳再生水泥基復(fù)合材料本構(gòu)模型，研制了纖維-納米SiO?低碳高性能再生水泥基復(fù)合材料，提升了再生水泥基復(fù)合材料界面粘結(jié)特性及耐久性能。該研究成果提升了廢舊混凝土再生利用附加值。

　　再生水泥基材料制備流程

　　再生水泥基材料力學(xué)性能活化機(jī)理

　　亮點(diǎn)二：提出了再生混凝土多尺度性能提升理論，建立了再生混凝土損傷本構(gòu)模型，發(fā)明了高品質(zhì)再生混凝土制備方法。

　　提出了基于多尺度的再生混凝土性能提升理論：基于納米SiO?的微觀填充效應(yīng)、微生物礦化以及纖維的宏觀增韌作用，提出了微生物-納米-纖維協(xié)同增強(qiáng)的再生混凝土性能提升及裂縫自修復(fù)方法;以質(zhì)量損失率、相對動彈性模量和抗壓強(qiáng)度損失率為評價(jià)指標(biāo)，揭示了納米SiO?與纖維協(xié)同作用抗凍性能提升機(jī)理;基于試驗(yàn)研究、數(shù)值模擬，提出了宏觀-細(xì)觀-微觀多尺度性能提升理論。

　　再生混凝土性能多尺度分析理論

　　建立了再生混凝土損傷本構(gòu)模型：基于雙參數(shù)Weibull統(tǒng)計(jì)分布理論和應(yīng)變等效假設(shè)，揭示了損傷閥值和彈性模量參數(shù)對本構(gòu)模型的影響;修正了過鎮(zhèn)海模型參數(shù)，探明了曲線參數(shù)q、p與納米SiO?、纖維摻量的關(guān)系，建立了納米SiO?與纖維協(xié)同增強(qiáng)再生混凝土損傷本構(gòu)模型。

　　再生混凝土損傷本構(gòu)模型的構(gòu)建

　　提出了高品質(zhì)再生混凝土制備方法：基于Python與ABAQUS建立了考慮界面過渡區(qū)參數(shù)的再生混凝土五相隨機(jī)骨料模型，探明了再生混凝土細(xì)觀破壞機(jī)理;基于室內(nèi)力學(xué)及耐久性能試驗(yàn)，揭示了再生混凝土力學(xué)及耐久性能指標(biāo)提升機(jī)制;以高品質(zhì)粗骨料和再生水泥為基材，研發(fā)了一系列節(jié)能降耗、性能穩(wěn)定再生混凝土。

　　再生混凝土單軸壓縮破壞數(shù)值模擬

　　高品質(zhì)再生混凝土研制

　　亮點(diǎn)三：闡明了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移破壞機(jī)理，建立了再生混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移本構(gòu)關(guān)系模型。

　　研發(fā)了一套基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移試驗(yàn)設(shè)備：基于聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現(xiàn)了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移破壞及內(nèi)部損傷的全過程監(jiān)測;揭示了聲發(fā)射參數(shù)與構(gòu)件不同階段粘結(jié)滑移表征指標(biāo)相關(guān)性，創(chuàng)新了再生混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移監(jiān)測技術(shù)和評價(jià)方法。

　　基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移試驗(yàn)設(shè)備研制

　　闡明了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移破壞機(jī)理：結(jié)合隨機(jī)骨料和塑性損傷模型，建立了再生混凝土結(jié)構(gòu)精細(xì)化三維細(xì)觀數(shù)值模型，揭示了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移破壞形態(tài)及演變規(guī)律;基于混凝土軟化本構(gòu)關(guān)系、虛擬裂縫假設(shè)等，明晰了鋼筋與再生混凝土界面粘結(jié)破壞機(jī)理;基于彈性理論與厚壁圓筒彈性力學(xué)模型，探明了粘結(jié)滑移各階段受力特性，推導(dǎo)了界面粘結(jié)強(qiáng)度解析解，揭示了再生混凝土結(jié)構(gòu)粘結(jié)滑移破壞機(jī)制。

　　再生混凝土厚壁圓筒粘結(jié)滑移模型

　　再生混凝土粘結(jié)滑移破壞機(jī)制

　　建立了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移本構(gòu)模型：基于再生混凝土鋼筋拉拔試驗(yàn)，結(jié)合數(shù)值模擬手段，揭示了再生混凝土與鋼筋界面粘結(jié)性能衰減機(jī)制及其結(jié)構(gòu)性能演變規(guī)律;提出了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移破壞表征指標(biāo)，建立了再生混凝土結(jié)構(gòu)鋼筋粘結(jié)滑移本構(gòu)模型。成果為再生混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供理論支撐。

　　亮點(diǎn)四：研發(fā)了就地再生及構(gòu)件智能生產(chǎn)等成套設(shè)備，開發(fā)了系列適應(yīng)于不同場景的再生混凝土產(chǎn)品及其建造關(guān)鍵技術(shù)，制定了多部配套技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)與施工工法，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，成果豐富了廢舊混凝土低碳高附加值消納途徑。

　　提出了基于性能需求的再生混凝土的適用場景分類標(biāo)準(zhǔn)：結(jié)合工程需求，根據(jù)再生混凝土級別和性能參數(shù)，構(gòu)建5大類適用場景;驗(yàn)證了再生混凝土在預(yù)制構(gòu)件、路面底基層等場景中的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和適用性。

　　不同工程應(yīng)用場景搭建

　　研發(fā)了再生混凝土構(gòu)件生產(chǎn)、施工關(guān)鍵技術(shù)及其智能設(shè)備：研發(fā)了再生混凝土預(yù)制構(gòu)件自動化布料、養(yǎng)生、運(yùn)輸碼垛打包等成套生產(chǎn)技術(shù)和裝備;發(fā)明了再生混凝土預(yù)制六棱塊道路路面鋪裝和路緣石安裝方法。

　　再生混凝土構(gòu)件智能生產(chǎn)設(shè)備研發(fā)

　　亮點(diǎn)五：搭建了基于應(yīng)用場景的再生混凝土智能可視化設(shè)計(jì)平臺，集成了多尺度再生混凝土應(yīng)用數(shù)據(jù)庫，提供了友好的人機(jī)交互界面，打造了再生混凝土經(jīng)濟(jì)發(fā)展智慧新模式。

　　集成了不同應(yīng)用場景下的再生混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)、形成多尺度、多參數(shù)的再生混凝土數(shù)據(jù)庫：基于不同應(yīng)用場景的工程目標(biāo)，整合了再生粗骨料質(zhì)量提升、納米SiO?改性再生水泥、纖維增強(qiáng)性能等試驗(yàn)數(shù)據(jù);納入了數(shù)值模型模擬結(jié)果，帶包裹砂漿再生骨料破壞規(guī)律、隨機(jī)骨料模型破壞過程分析等數(shù)據(jù)，保障了方案生成的科學(xué)性和時(shí)效性。

　　不同應(yīng)用場景下再生混凝土試驗(yàn)數(shù)據(jù)庫集成

　　實(shí)現(xiàn)了不同應(yīng)用場景下再生混凝土最優(yōu)配合比、試件養(yǎng)護(hù)工藝、施工方案的自動生成：提供了精簡的可視化界面，用戶輸入不同應(yīng)用場景要求(如力學(xué)強(qiáng)度、工作性能、耐久性)，平臺基于不同應(yīng)用場景的工程目標(biāo)，自動生成最優(yōu)配合比方案、試件養(yǎng)護(hù)工藝、配套施工工法;打造了友好的人機(jī)交互界面，以數(shù)據(jù)化方式展示方案的性能優(yōu)勢與工程適應(yīng)性;提供了數(shù)據(jù)的導(dǎo)出與工程報(bào)告自動生成，方便用戶進(jìn)行工程應(yīng)用與決策。

　　基于應(yīng)用場景的再生混凝土智能可視化平臺搭建

　　作者簡介：

　　鄭元勛，鄭州大學(xué) 教授/博士生導(dǎo)師，斯坦福全球前2%頂尖科學(xué)家名單入選者(2024)，河南省杰出青年基金獲得者。鄭州大學(xué)學(xué)術(shù)委員會委員、水利與交通學(xué)院教授委員會副主任、水工結(jié)構(gòu)與材料所所長、道路橋梁與渡河工程專業(yè)負(fù)責(zé)人。河南省優(yōu)秀教師、河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、河南省青年骨干教師、疫情防控中表現(xiàn)突出的河南省第一團(tuán)支書、留學(xué)人員科技活動項(xiàng)目擇優(yōu)資助獲得者、河南省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導(dǎo)老師等榮譽(yù)獲得者。兼中國大壩工程學(xué)會大壩混凝土與巖石斷裂力學(xué)專業(yè)委員會專家委員、中國硅酸鹽協(xié)會固廢與生態(tài)材料分會專家委員、中國公路學(xué)會會員、國家自然科學(xué)基金委通訊評審專家、教育部學(xué)位中心通訊評議專家等，擔(dān)任《International Journal of Pavement Engineering》、《American Journal of Civil Engineering》、《施工技術(shù)(中英文)》、《內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》等多個國內(nèi)外期刊編委。在國內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表科技論文150余篇，其中以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文89篇(中科院一區(qū)論文45篇);申請國家發(fā)明專利28項(xiàng);主編及參與編制專著8部(英文專著1部)，出版教材2部，出版地方規(guī)范2部。主持國家自然科學(xué)基金面上項(xiàng)目3項(xiàng)、國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目子課題1項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目課題1項(xiàng)，參與其他國家級項(xiàng)目5項(xiàng)，主持完成橫向課題50余項(xiàng)。研究成果相續(xù)獲中國工程建設(shè)科學(xué)技術(shù)成果一等獎1項(xiàng)(第1)、教育部科學(xué)研究優(yōu)秀成果二等獎1項(xiàng)，河南省科技進(jìn)步二、三等獎各1項(xiàng)(第1)，獲其他省部級科技進(jìn)步獎3項(xiàng)。研究成果已成功應(yīng)用于我國交通基礎(chǔ)設(shè)施等工程領(lǐng)域，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會效益。近5年來，指導(dǎo)學(xué)生獲得國家級、省部級創(chuàng)業(yè)創(chuàng)新大賽獎勵10余項(xiàng)。