2020年12月6日，由 和中国硅酸盐学会联合主办的第三届中国混凝土大讲堂于南京国际博览会议中心如约开讲。

会议现场

本次混凝土大讲堂经专家委员会推荐和提名，确定报告主题内容为高性能与超高性能混凝土材料的创新发展，邀请在此领域做出突出贡献的2位学者和专家开展学术与技术交流，分别是东南大学特聘教授钱春香教授和 超高性能水泥基材料与工程技术分会赵筠秘书长。

徐永模会长主持并致辞

执行会长徐永模主持大会并致辞。他表示，中国混凝土大讲堂创办伊始，就紧紧围绕国内外混凝土材料与工程发展的重大需求，聚焦混凝土材料科学研究的前沿领域和最高水平，以引领和促进我国混凝土科学技术的创新发展。

作为世界上用量最大的工程材料，混凝土脆性大、易开裂的原生属性严重限制了混凝土结构的耐久性能和使用寿命。旨在长效解决裂缝问题的自防护混凝土已成为国际工程材料领域的研究热点。通过模拟生物组织创伤自修复机理，将光纤、液芯纤维、形状记忆合金、微生物修复剂或聚合物等胶粘剂与混凝土相复合，使混凝土材料对开裂形成应激反应，实现损伤自诊断和裂缝自修复，从而达到对混凝土结构的自防护。自防护混凝土是现代混凝土技术发展的高级阶段，将有助于突破传统混凝土材料禀赋，集成结构与多功能于一体的自防护混凝土材料是支撑国家新型基础建设战略的关键工程材料之一。与此同时，超高性能混凝土在基础研发、生产技术、工艺装备、产品质量和工程应用等多个方面持续取得进展。应用于国内外不同行业领域和场景的工程创新层出不穷，标志着超高性能混凝土材料已经得到市场的认可，迈入了规模化、产业化的发展阶段。

第一位主讲嘉宾是东南大学钱春香教授。作为我国建筑材料微生物矿化技术领域的开拓者，她首创和发展了多类微生物自防护工程材料，形成了广泛的国际影响力。通过“产-学-研-用”全链条融合创新，将以自修复混凝土为代表的自防护材料和其他高性能混凝土，成功应用于高铁、水利、隧道、桥梁、地铁、机场等工程，产生了良好的社会和经济效益。研究成果获得国家科技进步二等奖2项、省部级一、二等奖5项。钱春香教授在混凝土大讲堂上介绍了自防护混凝土在裂缝自诊断、自修复研究方面的最新进展。

钱春香教授

徐永模会长为钱春香教授颁发主讲嘉宾荣誉证书

钱春香教授从自然界硬质损伤自愈合出发，详细介绍了皮肤、骨骼、肢体、植物、岩盐等动物、植物和非生命体的自愈合现象。延伸分享了人造材料的自愈合机理，如开环易位聚合、分子内和分子间的交联、微相分离、动态共价键重塑、多重氢键结合、分子间范德华力作用、形状记忆效应、振荡磁场下超磁性纳米粒子磁热转化、晶体物质二硫键重排等。

以自然现象为灵感，针对混凝土材料，在系统阐述裂缝形成及危害的基础上，钱春香教授重点介绍了混凝土材料的自愈合研究历程。浇筑密实未开裂的混凝土自身具有良好的防水功能，而一旦开裂，防水功能将迅速丧失。1m厚的混凝土若含有0.1mm宽的贯穿裂缝，在1m高水头下，仅需2min左右就会被渗穿。由此可见，裂缝对结构整体性的破坏和防水功能的损毁是极其严重的。同时，裂缝也会加速氯离子、硫酸根离子、二氧化碳传输，进一步劣化混凝土材料，严重降低其耐久性能。

隧道混凝土开裂渗漏现象（图片来源于网络）

裂缝对混凝土材料的负面影响是多方面的，开裂后隔声、传热等性能也会极大衰减。因此，裂后混凝土必须采取必要措施进行修复，而当前修复方法主要以被动修复为主，例如表面修补法、灌浆法、混凝土置换法、填充法、结构补强法等，但日趋复杂的混凝土结构增加了开裂位置的隐蔽性，众多基础设施也不具备值守条件，裂缝难以及时探查，因此重大基础设施急需自愈合技术。

混凝土裂缝自愈合研究最早可追溯到1836年，法国科学院学者揭示了水泥水化渗出的氢氧化钙碳化愈合裂缝的机理。自此，混凝土自愈合研究陆续开展。1980年，中国首次在上海地铁工程修建中引进了水泥基渗透结晶防水自愈合材料；2001年，美国南达科他矿业技术学院最先提出把微生物矿化用于混凝土裂缝修复；2005年，钱春香教授在国内开展了第一个微生物自修复技术的国家自然科学基金项目研究，内容包括碳酸盐矿化菌诱导碳酸钙沉积机理以及碳酸钙结晶动力学、形态学，并成功应用于水泥基材料表面缺陷修复。截至目前，已有63个国家进行了混凝土自愈合研究，是现代混凝土技术的热点之一。

裂缝自愈合研究—国家和文献量

根据机理和形式，将混凝土裂缝自诊断、自愈合技术归纳为9类，包括原生自愈合、渗透结晶自愈合、高吸水性聚合物自愈合、电化学沉积自愈合、形状记忆合金自愈合、中空纤维自愈合、空芯光纤自愈合、微胶囊自愈合及微生物矿化自愈合。其中，原生自愈合法、渗透结晶法的机理都属于化学作用；高吸水性聚合物、形状记忆合金自愈合属于物理或力学作用；中空纤维法、空芯光纤法、微胶囊法是按载体形式划分的，自修复剂与混凝土不发生直接接触；微生物矿化法属于生物化学作用。

利用混凝土中未水化颗粒的持续水化反应、水化产物氢氧化钙碳酸化反应和氢氧化钙与活性掺合料的火山灰反应进行的裂缝修复称为原生自愈合，但这种方法一般限于宽度不大于0.1mm裂缝的修复。

高吸水性聚合物自愈合是指将高吸水性聚合物（SAP）掺入混凝土中，混凝土开裂后，SAP颗粒遇水膨胀，封堵裂缝，显著提高抗渗水能力。但成本较高，对混凝土强度有负面影响。

高吸水性聚合物在混凝土中的赋存状态及裂缝修复机理

（图片来源：H.X.D.Lee, et al, 2010）

电化学沉积法利用电位差作用驱动离子产生迁移生成沉积物封堵裂缝，脉冲电流法比直流电法效果好。这种方法需要通电，投资较大。

电化学沉积示意图

中空纤维混凝土损伤自愈合启发于动物体的“毛细血管”受损自愈合现象，将中空纤维排布在混凝土基体中，当混凝土产生裂缝时，纤维中的修复剂流入裂缝后固化修复。

微胶囊自愈合中微胶囊预埋于水泥基材料内部，混凝土开裂时，微胶囊被打开，包覆的化学物质释放愈合裂缝。对于微胶囊技术的研究集中于壁材和负载修复剂的材料和制备工艺的研究。

微胶囊组成

微生物矿化法是当今国内外最热门的混凝土自愈合技术，在拌和时将微生物添加到混凝土中。混凝土开裂前，微生物以芽孢形式休眠，混凝土开裂后，水分和空气进入裂缝激活芽孢，芽孢不断萌发成为细胞，产生酶催化作用和矿化沉积，随着矿化产物不断增多，裂缝逐渐愈合。微生物矿化自愈合技术可有效修复宽度0.5mm以下裂缝，修复深度可达2cm，修复后混凝土的抗渗水性、抗氯离子渗透和对钢筋的保护能力均大幅提高。微生物修复剂对混凝土凝结时间、拌合物密度、绝热温升、抗压强度、应力应变关系无明显影响。通过该技术可实现混凝土裂缝的自动感知和主动修复，应用潜力巨大。钱春香教授已带领团队开发了系列微生物修复剂及自修复混凝土生产工艺，编制了首部应用技术规程。

微生物矿化法自愈合裂缝深度

接下来，钱春香教授介绍了国内外自愈合混凝土的典型工程案例。在美国，1996年在世界范围内首次开展了中空纤维自愈合混凝土在桥面混凝土中的应用；在日本，2011年在混凝土预制构件中应用了矿物增强原生自愈合技术；在荷兰，2013年开发应用了微生物自愈合修补砂浆，2015年在地下停车场应用了微生物自愈合混凝土进行微裂缝修复，2016年在喷射砂浆中融合了微生物自愈合技术等。在中国，2015年钱春香率先在国内开展了微生物自愈合混凝土的工程实践探索，在南水北调芒稻河船闸扩容工程中使用了微生物自愈合混凝土，实现了工程交付前混凝土裂缝完全自愈合的建设要求。2019年在深圳前海隧道工程中，应用了微胶囊技术。2020年钱春香教授团队再次将微生物自愈合混凝土成功应用于宁句城际轨道马群站和南京麒麟门交通枢纽工程中，用了20天时间修复了0.2mm和0.3mm宽的裂缝。

芒稻河船闸扩容工程

深圳前海隧道工程(Wang X, Huang Y, Huang Y, et al. 2019.)

麒麟门交通枢纽

在系统介绍混凝土自愈合技术发展现状的基础上，钱春香教授展望了自愈合混凝土技术的未来方向。对于微胶囊自愈合技术，应开展微胶囊尺寸与掺量优化、胶粘剂流变学等基础研究，推动载体制备与生产成本降低，为适应复杂环境开展自愈合专用胶粘剂研究。对于微生物自愈合技术，应更加注重增强矿化微生物对生存环境的耐受性，延长其在混凝土中的存活和作用时间；降低微生物对水分的依耐性，提升混凝土在水分不足环境中的修复效果；提高微生物矿化沉积物在裂缝的填充深度和密实度，降低微生物混凝土的成本，不断推进工程化与应用。

最后，钱春香教授表示，混凝土是世界范围内用量最大的人造材料，未来仍是主要的基础设施建设材料。结构与功能一体化的工程材料是社会发展的物质基础和先导。具备裂缝自修复功能的新型混凝土在面向未来基础设施建设上，优势巨大。根据有关机构预测，2025年全球自修复混凝土市场将达到13.75亿美元，亚太地区的市场持有率为29.6%，中国将是亚太地区自修复混凝土技术的主要开发者和重要市场。

第二主讲嘉宾是 超高性能水泥基材料与工程技术分会秘书长。赵筠先生长期从事超高性能混凝土的技术推广、工程应用工作。先后在挪威埃肯集团、迈图高新材料集团等国际化公司担任技术经理、技术总监等职务。赵筠先生拥有国际化视野，他聚焦国内外高强、高性能混凝土以及超高性能混凝土的研究成果，在国际超高性能混凝土先进理念与创新技术的介绍、知识普及和推广应用等方面做出了较大贡献。

赵筠先生

徐永模会长为赵筠先生颁发主讲嘉宾荣誉证书

赵筠先生对UHPC材料的起源、发展和应用现状进行了全方位、全景式、系统性的回顾和介绍。

国内外UHPC发展史

UHPC的发明缘起于提升水泥基材料强度的研究探索，1973年丹麦学者Hans Henrik Bache 教授提出了DSP理论，在1979年发明了“新混凝土”（即UHPC）。上世纪八十年代，他通过大量研究探索，提出以提升混凝土密实度为基础有效发挥纤维、钢筋抗拉强度，制造CRC（Compact Reinforced Composite密实增强复合材料)工程材料的创新理念，并搭建了UHPC和CRC（R-UHPC）材料的性能框架体系，直到今天仍然具有很好的指导意义。早期的UHPC应用，包括维修加固、机器部件生产、湿接缝结构连接、预制排水沟盖板、阳台、隧道管片、工业耐磨耐热产品等。

早期UHPC应用（丹麦）

UHPC产业化——预制CRC构件（丹麦）

随着世界越来越多的国家开展UHPC的研发工作，配制理论逐步完善，UHPC材料技术得到了进一步发展，UHPC工作性得到显著提升，UHPC使用原材料向多样化方面发展。在纤维增强材料方面，拓展了非金属纤维的应用，并努力提升金属纤维的使用效率；在UHPC基体材料方面，提升材料强度，提升弹性模量，提升UHPC材料和结构耐高温性能，采取低收缩水泥、内养护、减缩剂、膨胀剂等方法降低UHPC的收缩。

UHPC材料的性能特点，在工作性方面，可以获得适合施工需要的施工性能——自密实或需要的稠度，可泵送，可浇筑成型复杂形状，可喷射施工，可预制或现浇成型薄壁、薄层结构。在力学性能方面，UHPC与普通混凝土、纤维增强混凝土等相比，抗拉性能和韧性实现了跨越式提升；可以与钢筋、混凝土牢固粘结，等等。与普通混凝土和高性能混凝土相比，UHPC的总孔隙率和毛细孔体积大幅度降低，渗透性降至非常低的水平，并奠定UHPC优良耐久性的基础，包括钢筋、钢纤维防锈保护能力、抗化学腐蚀和硫酸盐侵蚀能力。此外，UHPC对冻融循环、碱骨料反应、延迟钙矾石生成等传统混凝土耐久性损害有良好的免疫能力。UHPC的耐久性指标是渗透性，通常用氯离子扩散系数来表征，目前只有NEL方法适合测量UHPC基体的抗渗性。UHPC的耐久性还存在一些问题，一是外露钢纤维的锈蚀问题，可采用非金属纤维或奥氏体合金不锈钢纤维避免锈蚀锈斑影响美观；二是未水化水泥问题，未水化水泥后期水化可以自愈合裂缝，但是是否会在高温泡水状态导致膨胀并危害耐久性?尚需对其膨胀原因及发生条件进行进一步的研究。在裂缝的影响方面，为保证UHPC结构的耐久性，应控制裂缝宽度小于0.05mm；对于UHPC受高约束程度的应用，如钢桥面、混凝土结构维修加固等情况时，应使用高应变硬化UHPC（UT07或UT10等级）。

创新概念设计(法国/中国)

本世纪初，法国开启和创新了多种UHPC的桥梁应用，至今UHPC在桥梁应用技术的发展创新仍然十分活跃。马来西亚发展多种结构的UHPC公路桥梁，中国发展了钢-UHPC复合轻型桥面、斜拉和悬索桥钢-UHPC组合梁等，韩国建造了UHPCπ型梁斜拉桥，以及轻量化UHPC桥面板、结构各异的UHPC人行桥，等等。目前，中国正在建造102m跨径的UHPC公路桥箱梁和56m跨径的UHPC高铁箱梁。美国在设计发展76.2 m 跨径无预应力UHPC梁和94.1m跨径预应力UHPC梁。

UHPC“三明治”墙板(丹麦)

UHPC在建筑领域也有多种应用，如承重、使用功能与装饰一体化的楼梯、阳台，轻量化“三明治”保温墙板，装配式框架结构PC构件用UHPC湿接缝连接，无柱悬挑UHPC顶棚，预制UHPC房屋单元，等等。

UHPC解决加固难题(英国/法国，中国)

在既有建筑维修和加固方面，R-UHPC（钢筋超高性能混凝土）可承担多项功能，如提高强度与刚度、耐久保护、抗渗和防水、耐磨等。

市政公用设施(中国)

此外，UHPC已经被应用于许多其他的场景中，如市政公用设施、电力管廊、管廊隔仓板、地铁疏散通道、水利工程、广告杆、电信发射塔、家具街具、卫生洁具，等等。UHPC预制构件的成型技术呈现出多种技术并行发展的局面，如2017年完成的法国蒙彼利埃新高铁站预制UHPC屋面构件采用了复杂的曲面模具，瑞士成型UHPFRC轻舟结构采用了3D打印的塑料模型等。

最后，赵筠先生指出，UHPC作为新一代工程材料，同时蕴涵着机遇和挑战。UHPC突破了水泥基材料性能和应用领域的很多极限，它可以建造轻巧优美、坚固韧性、耐久耐用的结构，无论是结构材料组分的复合，水泥基材料本身的性能、与纤维增强材料的复合、还是与其他结构材料的“组合”，都打开了许多发展空间，为我们创新者提供了更大的想象空间。这需要科学系统深入的材料研究为基础，需要严谨扎实的结构性能试验、生产施工实践为技术支撑，需要材料工程师、结构工程师和建筑师的通力合作。目前UHPC在各种工程上的应用还只是开始，期望UHPC能够得到国内广大同行的重视，在现有研究应用成果的基础上，自主开展系统深入的高水平研究与应用，开发利用UHPC价值和挖掘UHPC潜力。

在中国混凝土大讲堂的闭幕式上， 执行会长徐永模表示，中国混凝土大讲堂致力于打造国内外最高水平的学术和技术交流平台。在未来， 将打通混凝土产业的上下游，将混凝土界的最新成果介绍给建筑师和工程师们，邀请他们参与混凝土最新技术的应用和推广。本着公益性原则，第三届中国混凝土大讲堂对混凝土行业所有从业人员、青年学生和研究人员免费开放，并取得了圆满成功。第四届中国混凝土大讲堂将于2021年上半年举办。