再生混凝土利用有了“中国智慧设计应用方案”

游戏天地 2025年08月14日 21:45 1 admin

郑州大学水利与交通学院郑元勋

我国每年产生的废旧混凝土超25亿吨，且每年以8%的速度增加，环境压力巨大，实现废旧混凝土的资源化利用迫在眉睫，其高效消纳不仅响应了国家节能减排和可持续发展理念，也是实现“双碳”战略目标的重要途径。

研究表明，当前再生混凝土应用现状存在再生骨料品质不佳、配制机制不明、产业化配套工艺与设备缺乏等技术瓶颈。针对这些问题，我们团队联合中国建筑第七工程局有限公司、中铁七局集团有限公司、河南交通投资集团有限公司等单位，践行“产-学-研-用”融合创新理念，按照“高品质粗骨料研制—再生水泥及水泥基材料研发—再生混凝土配制及性能提升—再生混凝土结构设计—再生混凝土产品生产设备及关键技术开发—成套设备集成创新—产业化应用—智慧设计应用平台搭建”全链条研发思路，在国家重点研发计划、国家自然科学基金面上项目等项目支持下取得系列原创性成果，研究成果的推广与应用提升了废旧混凝土消纳水平及利用附加值，拓展了其应用领域及范围。该研究成果相续获得工程建设科学技术成果一等奖、河南省科技进步奖二等奖等奖励，并在交通运输、土木工程、水利工程等领域50余项工程中得到应用与推广，社会经济、生态效益显著。

在再生混凝土领域，我们从理论到实践走出了一条自主创新之路，设计了一套独具特色的“中国方案”，这套方案主要有五大创新亮点。

亮点一：提出了一套高品质混凝土再生粗骨料制备方法与分形评价体系，研制了一系列绿色再生水泥及低碳高性能再生水泥基复合材料。

建立了再生粗骨料分形评价体系：确定了轴向系数、片状系数、球度、均匀度、比表面积及糙度6个再生粗骨料形状指标参数，探究了不同形状指标参数对再生粗骨料物理性能的影响规律；构建了不同类型再生骨料的3D模型，基于力学试验及微观分析，揭示了再生粗骨料对混凝土力学性能的影响机理；探明了物相组分、界面结构等微观特征对再生混凝土力学性能的影响机制，构建了再生粗骨料品质提升量化指标分形评价体系，为再生粗骨料包裹砂浆高效去除设备研制提供理论支撑与技术支持。

再生粗骨料品质与混凝土力学性能关系

研发了一套再生粗骨料包裹砂浆高效去除设备：基于Python和ABAQUS建立了再生混凝土五相随机骨料模型，揭示了不同受力状态下附着砂浆剥离机制；提出了再生粗骨料包裹砂浆表面覆盖率测定方法，首次将包裹砂浆覆盖率定量化、参数化，为包裹砂浆高效去除设备研发提供理论支撑与技术支持；量化了再生骨料入射速度及角度、衬板性能参数等，提出了撞击破碎、二次研磨的“撞击+研磨”再生粗骨料高品质制备工艺，显著提高了包裹砂浆去除效率（80%以上），并达到最佳颗粒整形效果。

再生混凝土五相随机骨料模型

研磨机研发

提出了物理-化学协同增强再生粗骨料品质提升方法：分别从宏观、微观层次揭示了机械研磨协同纳米SiO₂溶液预浸作用下再生粗骨料性能提升机理；提出了物理-化学协同增强再生粗骨料品质提升技术，改善了再生粗骨料物理性能指标，压碎值降低33%以上，吸水率降低28%以上。

物理-化学协同增强再生骨料

纳米SiO₂溶液强化再生粗骨料物理性能

研发了一系列绿色再生水泥，研制了低碳高性能再生水泥基复合材料：以废旧混凝土细小颗粒及砂浆为基材，基于碱激发、机械研磨、纳米SiO₂改性等成套技术，研发了多种新型再生绿色胶凝材料；建立了纤维和纳米粒子改性低碳再生水泥基复合材料本构模型，研制了纤维-纳米SiO₂低碳高性能再生水泥基复合材料，提升了再生水泥基复合材料界面粘结特性及耐久性能。该研究成果提升了废旧混凝土再生利用附加值。

再生水泥基材料制备流程

再生水泥基材料力学性能活化机理

亮点二：提出了再生混凝土多尺度性能提升理论，建立了再生混凝土损伤本构模型，发明了高品质再生混凝土制备方法。

提出了基于多尺度的再生混凝土性能提升理论：基于纳米SiO₂的微观填充效应、微生物矿化以及纤维的宏观增韧作用，提出了微生物-纳米-纤维协同增强的再生混凝土性能提升及裂缝自修复方法；以质量损失率、相对动弹性模量和抗压强度损失率为评价指标，揭示了纳米SiO₂与纤维协同作用抗冻性能提升机理；基于试验研究、数值模拟，提出了宏观-细观-微观多尺度性能提升理论。

再生混凝土性能多尺度分析理论

建立了再生混凝土损伤本构模型：基于双参数Weibull统计分布理论和应变等效假设，揭示了损伤阀值和弹性模量参数对本构模型的影响；修正了过镇海模型参数，探明了曲线参数q、p与纳米SiO₂、纤维掺量的关系，建立了纳米SiO₂与纤维协同增强再生混凝土损伤本构模型。

再生混凝土损伤本构模型的构建

提出了高品质再生混凝土制备方法：基于Python与ABAQUS建立了考虑界面过渡区参数的再生混凝土五相随机骨料模型，探明了再生混凝土细观破坏机理；基于室内力学及耐久性能试验，揭示了再生混凝土力学及耐久性能指标提升机制；以高品质粗骨料和再生水泥为基材，研发了一系列节能降耗、性能稳定再生混凝土。

再生混凝土单轴压缩破坏数值模拟

高品质再生混凝土研制

亮点三：阐明了再生混凝土结构钢筋粘结滑移破坏机理，建立了再生混凝土结构粘结滑移本构关系模型。

研发了一套基于声发射技术的再生混凝土结构钢筋粘结滑移试验设备：基于声发射技术实现了再生混凝土结构钢筋粘结滑移破坏及内部损伤的全过程监测；揭示了声发射参数与构件不同阶段粘结滑移表征指标相关性，创新了再生混凝土结构粘结滑移监测技术和评价方法。

基于声发射技术的再生混凝土结构钢筋粘结滑移试验设备研制

阐明了再生混凝土结构钢筋粘结滑移破坏机理：结合随机骨料和塑性损伤模型，建立了再生混凝土结构精细化三维细观数值模型，揭示了再生混凝土结构钢筋粘结滑移破坏形态及演变规律；基于混凝土软化本构关系、虚拟裂缝假设等，明晰了钢筋与再生混凝土界面粘结破坏机理；基于弹性理论与厚壁圆筒弹性力学模型，探明了粘结滑移各阶段受力特性，推导了界面粘结强度解析解，揭示了再生混凝土结构粘结滑移破坏机制。

再生混凝土厚壁圆筒粘结滑移模型

再生混凝土粘结滑移破坏机制

建立了再生混凝土结构钢筋粘结滑移本构模型：基于再生混凝土钢筋拉拔试验，结合数值模拟手段，揭示了再生混凝土与钢筋界面粘结性能衰减机制及其结构性能演变规律；提出了再生混凝土结构钢筋粘结滑移破坏表征指标，建立了再生混凝土结构钢筋粘结滑移本构模型。成果为再生混凝土结构设计及应用提供理论支撑。

亮点四：研发了就地再生及构件智能生产等成套设备，开发了系列适应于不同场景的再生混凝土产品及其建造关键技术，制定了多部配套技术标准与施工工法，实现了产业化应用，成果丰富了废旧混凝土低碳高附加值消纳途径。

提出了基于性能需求的再生混凝土的适用场景分类标准：结合工程需求，根据再生混凝土级别和性能参数，构建5大类适用场景；验证了再生混凝土在预制构件、路面底基层等场景中的经济性、可靠性和适用性。

不同工程应用场景搭建

研发了再生混凝土构件生产、施工关键技术及其智能设备：研发了再生混凝土预制构件自动化布料、养生、运输码垛打包等成套生产技术和装备；发明了再生混凝土预制六棱块道路路面铺装和路缘石安装方法。

再生混凝土构件智能生产设备研发

亮点五：搭建了基于应用场景的再生混凝土智能可视化设计平台，集成了多尺度再生混凝土应用数据库，提供了友好的人机交互界面，打造了再生混凝土经济发展智慧新模式。

集成了不同应用场景下的再生混凝土试验数据、形成多尺度、多参数的再生混凝土数据库：基于不同应用场景的工程目标，整合了再生粗骨料质量提升、纳米SiO₂改性再生水泥、纤维增强性能等试验数据；纳入了数值模型模拟结果，带包裹砂浆再生骨料破坏规律、随机骨料模型破坏过程分析等数据，保障了方案生成的科学性和时效性。

不同应用场景下再生混凝土试验数据库集成

实现了不同应用场景下再生混凝土最优配合比、试件养护工艺、施工方案的自动生成：提供了精简的可视化界面，用户输入不同应用场景要求（如力学强度、工作性能、耐久性），平台基于不同应用场景的工程目标，自动生成最优配合比方案、试件养护工艺、配套施工工法；打造了友好的人机交互界面，以数据化方式展示方案的性能优势与工程适应性；提供了数据的导出与工程报告自动生成，方便用户进行工程应用与决策。

基于应用场景的再生混凝土智能可视化平台搭建

作者简介：

郑元勋，郑州大学教授/博士生导师，斯坦福全球前2%顶尖科学家名单入选者（2024），河南省杰出青年基金获得者。郑州大学学术委员会委员、水利与交通学院教授委员会副主任、水工结构与材料所所长、道路桥梁与渡河工程专业负责人。河南省优秀教师、河南省教育厅学术技术带头人、河南省青年骨干教师、疫情防控中表现突出的河南省第一团支书、留学人员科技活动项目择优资助获得者、河南省优秀硕士学位论文指导老师等荣誉获得者。兼中国大坝工程学会大坝混凝土与岩石断裂力学专业委员会专家委员、中国硅酸盐协会固废与生态材料分会专家委员、中国公路学会会员、国家自然科学基金委通讯评审专家、教育部学位中心通讯评议专家等，担任《International Journal of Pavement Engineering》、《American Journal of Civil Engineering》、《施工技术（中英文）》、《内蒙古工业大学学报（自然科学版）》等多个国内外期刊编委。在国内外重要学术期刊发表科技论文150余篇，其中以第一作者或通讯作者发表SCI论文89篇（中科院一区论文45篇）；申请国家发明专利28项；主编及参与编制专著8部（英文专著1部），出版教材2部，出版地方规范2部。主持国家自然科学基金面上项目3项、国家重点研发计划项目子课题1项、国家自然科学基金重点项目课题1项，参与其他国家级项目5项，主持完成横向课题50余项。研究成果相续获中国工程建设科学技术成果一等奖1项（第1）、教育部科学研究优秀成果二等奖1项，河南省科技进步二、三等奖各1项（第1），获其他省部级科技进步奖3项。研究成果已成功应用于我国交通基础设施等工程领域，取得了显著的经济效益和社会效益。近5年来，指导学生获得国家级、省部级创业创新大赛奖励10余项。