《重大工程结构安全服役的高韧性纤维混凝土制备与应用关键技术》

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混凝土诞生百余年来,脆性大、易开裂的本质一直没能改变。混凝土裂缝是导致结构寿命显著降低并引发重大安全事故的重要原因,对国家建设可服役百年的重大基础设施目标形成了严峻挑战。混凝土增韧控裂技术是保障重大工程结构长寿命安全服役的重要手段,是国内外学术界和工程界长期致力攻克的难题。该项目采用力学理论建模、材料研制发明、结构型式革新、施工技术创新有机交叉融合的技术路线,历经近20年研究和工程实践,发明了高韧性纤维混凝土材料及其应用技术。主要发明点如下:

1.提出了基于随机统计学的短纤维增韧混凝土多缝开裂过程力学模型,建立了纤维混凝土高韧化设计理论和制备技术:发明了极限抗拉应变稳定地高达3%-8%(是普通混凝土的300~800倍)、强度等级30-120MPav韧性指标国际领先的系列高韧性纤维混凝土,发明了适用于大规模快速施工的自密实型、喷射型高韧性纤维混凝土及其施工技术,在国际上首次建立了高韧性纤维混凝土工业化生产线,成功替代德国进口材料。形成了高韧性纤维混凝土材料发明、工业化生产到应用技术的创新技术体系,解决了混凝土易开裂、难增韧这一长期技术难题。

2.揭示了高韧性纤维混凝土与普通混凝土结合界面的抗拉、抗折、抗剪、断裂等粘结性能力学机理和规律,发明了界面纯剪切开裂性能的定量测试装置和技术;发明了高粘结力、高延性的混凝土结合界面密合剂,粘结强度指标国际领先;发明了提升界面咬合力的人工键槽新技术,将液压盘锯切割与静态爆破相结合,使得混凝土结合面处理工效提高50%、成本降低30%。解决了高韧性纤维混凝土在结构应用中的界面抗裂关键问题。

3.提出了高韧性纤维混凝土复合结构控裂技术,发明了结构表层装配式保温防裂防渗永久性模板,建立了以承载力和最大裂缝宽度为控制条件的连接件最优化设计准则,高韧性纤维混凝土模板的保温性能和抗渗性能分别比普通混凝土提高了4倍和500倍;发明了结构内部大体积混凝土冷却通水流量控制方法和间歇通断式控制系统,解决了冷却通水参数难以定量和温控滞后问题。开发出结构内外双重温控防裂技术,为长期困扰工程界的混凝土结构裂缝控制提供了新途径。

该成果获授权发明专利27项、软件著作权5项,在Cement and Concrete Research和Cement and Concrete Composites本领域国际顶级期刊等发表SCI论文35篇,在《土木工程学报》、《建筑结构学报》等国家一级学会期刊发表EI论文40篇,出版专著1部,促进了学科发展。成果成功应用于上海吴淞军港、杭州秋石高架桥和南水北调中线水源工程丹江口大坝、锦屏一级水电站(世界第一高拱坝)等桥梁、隧道、港口、大坝不同工程领域重大项目,在巴基斯坦尼鲁姆•杰卢姆水电工程等“一带一路”国家水电开发建设中发挥了重要作用。近三年经济效益22.7亿元,社会经济效益显著。主要成果获2014年教育部技术发明奖一等奖。

缪昌文院士、岳淸瑞院士任正副主任的鉴定委员会认为:“在国际上首次实现高韧性纤维混凝土规模化工业化生产”,“该成果形成了具有自主知识产权和经过工程验证的具有重大创新价值的技术体系”,“总体达到了国际领先水平”。

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