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【基础理论类】二等奖：基于颗粒紧密堆积理论的超高性能纤维增强混凝土的设计与性能调控
2021年度 混凝土科学技术奖已经启动，欢迎业内企事业单位及从业人员，持续关注协会官方公众号【混凝土科技奖】的相关信息。
2020年度
混凝土科学技术奖•基础理论类
获奖项目展示
2020年度 混凝土科学技术奖工作于2020年6月启动，至12月圆满完成。报名期间共收到有效申报项目61项。经过专家评审委员会的初评及终评，共计39个项目获奖，包括一等奖2项、二等奖15项、三等奖22项，其中“科技进步类”13项、“基础理论类”2项、“技术革新类”24项。
二等奖项目：基于颗粒紧密堆积理论的超高性能纤维增强混凝土的设计与性能调控
在超高性能混凝土（UHPC）体系中，形成内部最紧密堆积是保证其优异性能的基础。目前UHPC的设计缺乏系统全面的堆积理论的指导，纤维、水和减水剂的设计不够精细，容易导致制备出来的混凝土存在匀质性不好、密实程度不足、纤维利用率不高、以及高能耗高成本等问题。
本项目从UHPC的优化设计出发，提出了基于全材料尺度的UHPC最紧密堆积设计理论，充分考虑了纤维、水和减水剂对堆积体系的影响，并建立了相关人工神经网络模型、和D-优化设计模型等。然后，通过引入再生骨料、机制砂、矿渣、尾矿、石粉等固体废物，在不破坏UHPC堆积体系的前提下，通过取代UHPC中的水泥等高能耗组分，制得的UHPC即保证了其优异的性能，又实现了对固体废弃物的回收利用，同时降低了UHPC的能耗与成本，成功地提出了生态型UHPC制备理念。
在上述设计理念与方法的支撑下，研究团队实现了UHPC材料性能的调控：1）研究了该混凝土在浇筑过程中纤维、混凝土基体和浇筑模型的边界条件之间的物理化学作用，阐明了UHPC体系中的纤维动力学问题，并建立了纤维细观参数与UHPC宏观性能之间的关系模型；2）系统地研究了UHPC自收缩的驱动机制，并通过研究外加剂、预湿多孔轻骨料等对UHPC自收缩的影响，提出了将多孔轻骨料作为载体，携带减缩剂以降低UHPC自收缩的方法，制备具有良好工作性能、力学性能和体积稳定性的UHPC；3）研究了严酷环境下UHPC耐久性能提升技术，建立了海洋环境下的离子侵蚀水化动力学模型，并通过采用煅烧层状双氢氧化物有效地提升了UHPC在严酷环境中的耐久性。
成果一：UHPC材料的颗粒紧密堆积体系解码及优化设计
研究了UHPC中原材料堆积状态和调控手段，率先提出了全材料尺度最紧密堆积设计理论，明确了分别基于干堆积密实度和湿堆积密实度的UHPC优化设计理念，构建了UHPC优化设计基础模型，明确了纤维加入对UHPC颗粒堆积体系的影响，成功地将钢纤维以等效直径的形式纳入UHPC堆积体系。
全材料尺度UHPC最紧密堆积设计理论
成果二：生态型UHPC设计理论
提出了基于颗粒最紧密堆积原理制备生态型UHPC的设计理论：通过引入再生骨料、尾矿等替代材料，在不破坏UHPC堆积体系的前提下，取代UHPC中的水泥等组分以制备生态型UHPC，实现了UHPC材料低能耗、低碳排、低成本的目的。该方法在保证了UHPC的优异性能的同时，充分回收了固体废物并降低了UHPC的能耗与成本，是一种符合可持续发展战略的生态型水泥复合材料。
生态型UHPC设计理论
成果三：UHPC中纤维动力学过程及纤维细观参数调控
全面梳理总结了钢纤维在新鲜UHPC中影响取向及分布的关键因素，基于浆体流动特性及边壁效应提出了UHPC优化的浇铸方法，成功获得了能使纤维获得更好取向和分布的具有操作性的控制参数，并提出了一种UHPC浇注过程中纤维运动的模型，为优化设计与制备UHPC做出了重要贡献。
纤维动力学模型及纤维搭接机理
成果四：UHPC体积稳定性驱动机理与优化调控
研究了UHPC体积稳定性的调控机制，考虑了辅助胶凝材料与膨胀剂协同作用对自密实UHPC性能的影响，以镁质膨胀剂、浮石的内养护作用显著降低了UHPC的收缩，改善了界面微观结构。率先尝试了将减缩剂（SRA）与预湿多孔轻骨料（LWA）结合使用，验证了多孔LWA中的孔隙可以作为SRA溶液的载体，并提出UHPC体系中LWA与SRA共存的优化模式，成功得到了具有良好工作性能、力学性能和体积稳定性的UHPC。
成果五：恶劣环境下UHPC耐久性能调控技术
研究了纤维参数和层状双氢氧化物对高离子浓度等恶劣环境下UHPC耐久性的影响，成功提出了适用于恶劣环境的UHPC最佳纤维参数及其对电化学腐蚀的影响，证明了C-LDHs是一种优异的功能性阴离子吸收材料，可提高UHPC抵抗恶劣环境下高浓度离子侵蚀的能力。创新性地建立了镁离子诱导的水化动力学模型，总结了UHPC在恶劣环境中的侵蚀机理，使UHPC在恶劣环境中的优化设计取得了突破。
针对成果一：就混凝土材料而言，该申报项目中的UHPC材料的颗粒紧密堆积研究课题创造性的提出了全材料尺度最紧密堆积设计理论，基于干堆积密度和湿堆积密度的不同存在形式，构建了UHPC优化设计基础模型，并开发出能适应具有不同物理化学特征的原材料的智能化UHPC配合比设计软件。
针对成果二：现阶段高水泥用量带来的高能耗与高成本问题制约了其工程化应用，也对环境产生巨大影响，该申报项目中的生态UHPC的优化设计研究课题率先提出了在UHPC体系中引入废弃再生骨料的设计理论，例如用高掺量磷渣取代水泥制备UHPC，实现了低能耗、低碳排、低成本的目的。
针对成果三：在掺有纤维的UHPC体系中，该申报项目中的纤维动力学过程研究课题研究了UHPC中纤维动力学过程及调控机制，创新性的利用计算机图像分析工具对纤维进行去向分析，验证了新鲜UHPC中影响纤维取向及分布的关键因素。同时，该申报项目中的纤维细观参数与混凝土宏观性能关系研究课题在纤维微观层面的研究阐明了纤维含量对UHPC宏观性能和微观结构的影响，为后续该方向的研究提供了一定的指导。
针对成果四：UHPC的高胶凝材料用量和低水胶比导致了UHPC的体积不稳定性，该申报项目中的体积稳定性优化设计研究课题研究了UHPC体积稳定性的驱动机理，采用了一种新型轻骨料系统用来解决混凝土的收缩问题，基于多孔轻骨料的载体效应，并利用响应面法分析法研究多孔骨料载体作用的减缩机理，有效的改善了UHPC的体积稳定性。
针对成果五：在海洋等较为恶劣的环境中，混凝土的耐久性成为混凝土的核心，该申报项目中的海洋环境混凝土（UHPFRC）研究课题归纳并总结了钢纤维掺量对混凝提耐久性的影响，得出2％是提高UHPFRC在海洋环境下抗电化学腐蚀性能的最佳掺量、1%C-LDHs提UHPC在海洋环境下的耐久性、海洋环境中镁离子延缓水泥早期水化，加速水泥中后期水化等结论，为后续研究奠定了理论基础和数据支撑。
武汉理工大学是教育部直属全国重点大学，是首批列入国家“211工程”和“双一流”建设高校，是教育部和交通运输部等部委共建高校。依托本校材料科学与工程国家重点学科，超高性能混凝土（UHPC）研究团队围绕着建筑材料低环境负荷制备、功能设计与调控、服役行为与延寿原理、可循环设计四个方面开展了一系列基础和应用基础研究。团队余睿博士是武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室研究员、博士研究生导师，荷兰埃因霍温理工大学博士、博士后、客座研究员，UHPC分会专家委员、中国硅酸盐协会固废分会青年委员、广东省先进水泥基材料工程技术研究中心副主任、兼技术委员会委员。其长期致力于超高性能纤维增强复合材料、海洋功能建筑材料、生态绿色建筑材料等方面的研究工作，在先进功能材料的设计、理论分析与数值模拟方面积累了大量的经验。迄今为止，主持和参与包括国家自然科学基金、军工863计划、国家科技支撑计划、十三五重点研发计划、广东省中山市重大科技专项等国家级、省部级项目10余项，在Cement and Concrete Research, Cement and Concrete Composites,硅酸盐学报等国内外顶级期刊上发表各类学术论文100余篇，SCI检索60余篇，总计影响因子约300，文章总引用次数近3000次，发表ESI高被引论文1篇，3篇论文进入到本研究领域顶级期刊的热门下载序列，先后20余次受邀在国际、国内学术会议上做口头报告并担任分会场主席，已出版英文学术专著1部，获得国家授权专利6项，软件著作权3项。参与完成了我国第一个UHPC海洋漂浮平台和第一个深远海建筑材料暴露实验站的建设。以第一完成人身份获2020年度 混凝土科学技术二等奖。2021年入选斯坦福大学发布的全球Top2%科学家年度名单。
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