導(dǎo)讀

華南理工大學(xué)土木學(xué)科海外學(xué)者前沿講座第五十九期，我們邀請到來自國德克薩斯州立大學(xué)（TXST）土木工程學(xué)系的的施錫俊助理教授為大家做了題為“促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的回收材料混凝土研發(fā)與應(yīng)用”的報告。本期講座錄播鏈接見文末或點擊閱讀原文。

講座開始，施老師首先介紹了混凝土的應(yīng)用現(xiàn)狀和再生混凝土的研究背景。他向我們詳細(xì)介紹了對混凝土應(yīng)用、混凝土碳排放、水泥消耗、混凝土骨料、混凝土用鋼和再生混凝土等做的市場調(diào)研報告，這些詳盡的數(shù)據(jù)支撐和促使他致力于發(fā)展混凝土可持續(xù)性技術(shù)的研究?；炷磷鳛閼?yīng)用最為廣泛的建筑材料之一，其主要成分的生產(chǎn)是碳密集型的，并會對生態(tài)環(huán)境造成不利的影響。此外，混凝土由水泥基材料、骨料以及鋼筋等組成，鋼材是混凝土結(jié)構(gòu)中的另一個重要組成，鋼筋的生產(chǎn)過程是混凝土施工中公認(rèn)的溫室氣體最大單一來源。例如，在住宅建筑中，鋼材的生產(chǎn)約占總能耗的51%，占二氧化碳總排放量的49%。研究表明，使用再生材料是促進(jìn)混凝土行業(yè)可持續(xù)發(fā)展和實現(xiàn)成本效益的可行選擇。

基于循環(huán)經(jīng)濟(jì)的概念，本次報告中施老師向我們介紹了他近期所完成的四個研究項目，分別為RAP在水工水泥混凝土中的驗證；含有再生混凝土骨料的混凝土路面的長期性能評估；廢棄輪胎再生鋼纖維增強(qiáng)水泥材料；以及施老師團(tuán)隊提出的Plient混凝土，一種新型的環(huán)?；炷晾砟?，用于管道、排水結(jié)構(gòu)和其他耐用的混凝土產(chǎn)品。

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首先，施老師介紹了將再生瀝青路面(Reclaimed Asphalt Pavement (RAP))應(yīng)用在混凝土中的研究。將RAP直接添加到瀝青混合料中是其目前主要的使用方式，但存在一定的局限性，如混合物太硬導(dǎo)致的開裂問題和瀝青粘結(jié)劑（尤其是改性粘結(jié)劑）質(zhì)量不足等。將RAP應(yīng)用在路基中存在著因抗剪強(qiáng)度低導(dǎo)致更大的路面沉降，RAP性能的較大離散性和時間溫度依賴性，以及鉛元素等的浸出問題等。而將RAP應(yīng)用在混凝土中的研究項目較少，因此，施老師圍繞這個方向開展了研究。起始，施老師對RAP進(jìn)行了材料表征，包括其體積屬性（比重、干單位重量、吸水性），瀝青的性質(zhì)（粘結(jié)劑含量、提取的粘結(jié)劑PG等級量化瀝青的老化），采用聚合成像系統(tǒng)評估顆粒形狀特性，開展巖相學(xué)的研究。由于細(xì)RAP降低混凝土的和易性和強(qiáng)度，且其更適用于配制新型混合料，施老師僅對含有粗RAP的混凝土進(jìn)行詳細(xì)測試，通過RAP級配與混合設(shè)計，粗RAP在混凝土中的替代率可達(dá)40%。采用含有足夠數(shù)量中等粒徑RAP作為骨料制成的RAP混凝土密室程度更好。研究結(jié)果表明，（1）RAP混凝土的力學(xué)性能：在混凝土中添加RAP會降低強(qiáng)度和剛度，但可以通過控制RAP質(zhì)量或使用密集級配混合設(shè)計來緩解。（2）RAP混凝土的微觀結(jié)構(gòu)和裂縫形態(tài)：瀝青內(nèi)聚力破壞是強(qiáng)度降低的主要機(jī)制；RAP混凝土系統(tǒng)的薄弱環(huán)節(jié)包括附聚顆粒和含有細(xì)粉和細(xì)孔的瀝青層。（3）如果RAP%低于40%，RAP混凝士具有良好的耐久性，包括抗凍融性和透氣性。（4）在選擇RAP時，選擇瀝青含量低，團(tuán)聚顆粒數(shù)量低和中間尺寸(95mm-236mm)的RAP。

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隨后，施老師對RAP混凝土開展了半圓彎曲斷裂試驗，斷裂試驗，延性測試和砂漿環(huán)試驗，試驗結(jié)果表明，RAP基膠凝材料不一定是劣質(zhì)材料!在斷裂性能方面，RAP混凝土具有與普通混凝土相當(dāng)?shù)臄嗔秧g性；RAP混凝土具有更高的延展性和更高的斷裂能。在約束干燥收縮下的抗裂性方面，可能由于RAP-砂漿模量低，斷裂能高，粘彈性應(yīng)力松弛等，其產(chǎn)生了更低的峰值應(yīng)變，并延遲開裂。

施老師介紹的第二個研究項目是評估了含有再生骨料的混凝土路面的長期力學(xué)性能。研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料對混凝土性能的影響主要為降低彈性模量和強(qiáng)度，熱膨脹系數(shù)高，更高的收縮和抗裂性(RAP混凝土)。在路面的設(shè)計上，需要注意使用優(yōu)化的骨料級配，采用不同的密封材料或短的接縫間距，更好的載荷傳遞裝置，耐腐蝕的基礎(chǔ)等。

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在鋼材的可再生利用方面，施老師還介紹了一種新型環(huán)保的混凝土——Plient，它是將傳統(tǒng)的鋼筋和箍筋替換為來自廢舊輪胎回收的柔軟纖維。每年美國會產(chǎn)生大量的廢棄輪胎，由廢棄輪胎生產(chǎn)的再生鋼纖維（RSF）比工業(yè)生產(chǎn)的鋼纖維便宜大約10倍，是鋼筋價格的一半。施老師團(tuán)隊將其用于管道、排水結(jié)構(gòu)的研究上，研究表明，與傳統(tǒng)鋼纖維相比，加工RSF消耗的能源更少，而施老師發(fā)現(xiàn)有關(guān)RSF增強(qiáng)水泥材料的研究甚少。因此，施老師開展了試驗研究，評估了廢棄輪胎RSF增強(qiáng)的水泥砂漿的各種力學(xué)性能，包括抗壓強(qiáng)度，劈拉強(qiáng)度，雙參數(shù)斷裂模型的斷裂性能和約束干燥收縮下的抗裂性。研究發(fā)現(xiàn)，摻加2%RSF對水泥砂漿的抗壓強(qiáng)度和彈性模量影響不大；RSF增強(qiáng)水泥砂漿的斷裂能和抗裂性均有所提升。

Plient與傳統(tǒng)的管道相比不僅具有更好的韌性，而且還可以降低運輸成本，提高管道的靈活性。雖然這類新型的材料既可以達(dá)成低碳環(huán)保的目標(biāo)，同時也具有較好力學(xué)性能，但它是否可以被廣泛接受而用于替代其他的傳統(tǒng)材料呢，甚至用于替代傳統(tǒng)房屋建筑或者橋梁工程中的原材料也還在探索中。

總結(jié)

施老師本次報告主要通過再生瀝青路面（reclaimed asphalt pavement，RAP）在水泥混凝土中的應(yīng)用以及廢輪胎再生鋼纖維增強(qiáng)膠凝材料等方面的內(nèi)容給我們帶來了豐富的講解。施老師先通過行業(yè)能源消耗的情況分析進(jìn)行切入，再到他們團(tuán)隊針對再生材料的性能測試的基礎(chǔ)研究，最后到實際的工程應(yīng)用場景等循序漸進(jìn)的講解過程中，讓我們看到了這類材料對促進(jìn)土木工程行業(yè)往可持續(xù)發(fā)展和低成本高效益方向發(fā)展的可能性。

在后續(xù)的交流環(huán)節(jié)中，施老師和大家聊到了科研與工程的關(guān)系。雖然當(dāng)下可再生材料在建筑或道路工程中的安全性還有待進(jìn)一步驗證，但對于如何將科研產(chǎn)物與實際工程更好地結(jié)合，他給出了自己的答案。施老師跟我們談?wù)摰?，土建行業(yè)對于基礎(chǔ)設(shè)施的安全性需求非常強(qiáng)烈，新產(chǎn)品的應(yīng)用需要經(jīng)受很大的質(zhì)疑與考驗，因此，針對科研目標(biāo)進(jìn)行充分的市場調(diào)研是非常重要的前提步驟，也是科研不可或缺的一步，市場調(diào)研、商業(yè)分析有時候甚至可以啟發(fā)或影響選題的方向。而了解生廠商、業(yè)界、管理方、以及行業(yè)與政府的需求是使科研成果落地非常重要的一環(huán)，從風(fēng)險較小的領(lǐng)域去推廣應(yīng)用一方面可以讓好的研發(fā)產(chǎn)品更快地惠及大眾，另一方面亦可以反作用于技術(shù)的創(chuàng)新迭代。他們在推廣再生混凝土可持續(xù)性技術(shù)的過程中付出了很多努力，最終才找到了合適的應(yīng)用場景。在當(dāng)今社會，許多大型企業(yè)和公司還未能徹底踏出這一步，但是這也意味著我們土木工程行業(yè)的發(fā)展未來可期，仍有許多路需要不斷地探索和突破。

最后的最后，施老師介紹了自己對于留學(xué)和招生方面的看法與觀點，也歡迎大家和施老師交流聯(lián)系。

END

相關(guān)論文請到施老師主頁下載：

https://faculty.txst.edu/profile/2252688

講座錄播鏈接：https://b23.tv/EFDORlr

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實驗室VSL

排版 | 李嘉晨

審核 | 胡? ?楠