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一种高延性玄武岩纤维加强仿古青砖的研发

申报人：林睿文 申报日期：2024-06-01

基本情况

2024年批次
一种高延性玄武岩纤维加强仿古青砖的研发 学生申报
创新训练项目
工学
土木类
学生来源于教师科研项目选题
一年期
近年来，国家将发展的重心放在了加强传统村落和古建筑保护工作。古建筑是文明发展的标志，是不可再生的人文资源。保护好现存的古建筑，留住我们的美丽乡愁，成为了当下专家学者努力的方向。广西壮族自治区是一个少数民族聚居地，传统村落众多，民族文化历史悠久。但是现存的古建筑，生存情况很不乐观，存在着破残严重、破坏严重的问题。而修缮、改造和新建这些古建筑的过程中，又缺乏与之匹配的建筑材料，这极大降低了古建筑群落的观赏价值。 传统青砖是一种采用现代科技结合传统工艺烧制而成的仿古建筑材料。它的主要原料是天然粘土，通过加水调和后挤压成型，放入砖窑焙烤至1000度左右后用水冷却，通过水冷却处理，使得粘土中的铁不完全氧化呈现青色，从而获得良好的耐风化和耐水特性。 但是在传统的古青砖在生产过程中采用人工烧制的方式，容导致安全隐患，其产生的污水污染环境，影响生态的发展。在使用过程中，由于做工导致出现产品粗糙，与古建筑本身不匹配等问题也极大程度影响了古建筑的艺术价值。 故本团队致力于打造一种保留古乡古味特色的仿古青砖，一方面，为了保护古建筑的艺术价值，增加其观赏性；另一方面，也为了改善乡村的居住环境。
参与“互联网+”大赛并以第一负责人获得区级银奖，参与大创课题1项，拥有2项实用新型专利。
1、中国博士后科学基金，二等资助，2021M693814，火灾下钢结构抗连续倒塌机理研究，2021.03.至2022.011，8万元，在研，主持；
2、广西自然科学青年基金，外设钢支撑多层钢框结构体系抗连续倒塌机理研究，2022.01至2024.12，8万元，在研，主持；
3、广西科技基地与人才专项，高温下钢结构抗连续倒塌性能研究，2022.01至2024.12，20万元，在研，主持；
4、广西博士后创新人才计划，多灾害耦合下钢框架结构抗连续倒塌机理研究，2021.05至2022.011，20万元，在研，主持；
5、广西建筑新能源与节能重点实验室项目，钢支撑加固钢框抗连续倒塌机理研究，2021.03.至2022.011，5万元，在研，主持；
6、国家自然科学基金地区基金项目，52168028，“局部后浇UHPC板柱节点冲切性能及设计方法研究”，2022.1-2025.12, 35万，参与。
7、广西杰出青年科学基金项目，结构抗连续倒塌，2022.1-2025.12，40万，参与。
8、广西中青年科研基础能力提升项目，2021KY0254，钢结构抗连续倒塌机理研究，2021.01至2023.01，3万元，在研，主持；
9、广西壮族自治区教育厅，YCBZ2019024，体外预应力钢绞线加固多层多跨钢框架抗连续倒塌性能研究，2019.03至2020.06；4万元，结题，主持；
10、广西自然科学基金委，青年科学基金项目，2018GXNSFBA281214，强震灾变下单层网壳结构钢管构件损伤本构模型研究，2018-12至2021-12，10万元，在研，参与。
11、广西壮族自治区教改重点项目，土木工程专业大学生创新能力的培养策略及教学实践研究，2021JGZ124，2021-9至2023-9，3万元，在研，参与。
12.国家自然科学基金项目面上项目,主持，锈蚀钢筋混凝土板柱节点冲切破坏机理与评估方法研究（60 万）
13.国家自然科学基金项目地区项目，主持，后浇整体式预制混凝土框架结构抗连续性倒塌性能及控制方法研究（40 万）
14.中西部高层次人才启动基金项目，主持，极限荷载下建筑结构抗倒塌机理与防护决策研究 （150 万） 
专业知识讲解答疑、项目试验的指导、对研究报告论文的编写指导
校级

项目成员

序号 学生 所属学院 专业 年级 项目中的分工 成员类型
林睿文 土木工程学院 土木工程（实验班） 2021 项目统筹及撰写研究报告
蒙奕全 土木工程学院 土木工程（实验班） 2021 试验部件等经费预算及购置
王婷 商学院 物流管理 2021 实地调研
秦磊 机械与控制工程学院 机械设计制造及其自动化 2023 文献研究
王仁娟 商学院 物流管理 2021 理论分析 数据记录

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
钱凯 研究生院、学科建设办公室 否
贾克飞 土木工程学院 否

立项依据

近年来，国家层面将文化保护提上日程，对于传统古建筑的保护更是成为了重中之重。而在传统制砖的过程中，一方面烧制过程中排除的废气废水会产生大量的环境污染，严重背离了党中央“绿色中国”的准则；另一方面，烧制过程中的人为因素不仅容易产生安全隐患，也会影响使得最终成品质量层次不齐。故希望通过研发一种既能减轻对环境生态影响，又可以满足古建筑修复还原过程中的使用需求，适合市场需要、各种强度指标合格、节能、保温、经济的高延性仿古青砖。
对于承重墙而言，要满足基本的强度条件，整体热工、抗风化性能符合规范要求。对于非承重墙用轻质砖强度在MU5.0以上或达到设计要求，利用轻质砖填充墙能大大减轻建筑的自重及造价,满足美观性和一定的强度要求。研究出合适的生产工艺，以及对于传统建筑的建模修复技术，使生产的仿古青砖可以基本满足古建筑修缮的使用需求。完成对于砖块块体与砌体的力学、热工及声学性能的相关试验研究。 
1) 原材料筛选：在完成原材料理化成分分析的基础上，选定替代粘土的合适材料。本课题组在进行本课题前期研究时，已专门为本课题研究购买了球磨粉碎机，用于在实验室制备样品。
2) 原材料配比研究：按照原材料的理化成分，在理论上计算并且优化出熟石灰、矿渣掺料、高岭土、玄武岩纤维及其其他辅料的掺合配比，通过实验检测，总结出最佳的配比，在保障经济条件的前提下，实现最高力学性能。
3) 建筑模型扫描技术：依托三维数字扫描仪器，研究如何对破损残破的古建筑构建进行精准取模建模，以便于后续的修复工作。
4) 多种测绘技术综合运用技术研究：留存建筑配件真实档案，利用精细三维激光扫描、高清摄影测量等多种测量传感器技术，形成从“拼接—融合—构网—简化—纹理映射”的完整点云处理流程，高效地获取被扫描物体完整的高精度表面模型和纹理模型，无缝融合处理生成精准的古建筑配件（青砖、基石、小青瓦）三维数字模型。
5) 精细化数字雕刻技术研究：建立的古建筑配件三维数字模型（点云），原物品局部地方缺失或模型锐度不够突出，需要用数字雕刻系统进行局部精细修整，充分展示古建筑中繁复的文字、花纹等细节精湛的人工雕刻技艺。模仿现实手法对存在或不存在的物体进行雕刻，保存所有细节并可实现保存于复制功能，制作出传统雕塑效果或显示生活中的逼真形体。课题组也将结合当下较为热门的BIM技术，实现建筑模型的高效、精准、智能化还原。
6) 墙体结构研究：针对北方地区的部分古建筑墙体存在保温性能差的问题，通过模拟不同墙体的组合结构，并通过使用ECOTECT软件模拟墙体导热、保温情况以及在一段时间的对于热能的损失率，记录实验数据，对比得出最节能、经济的保温墙体结构，完成相应的研究。
7) 仿古青砖制备工艺研究：区别于传统的烧制技术带来的污染和安全隐患，课题组希望研究出一种制备仿古青砖智能化工艺，研究出合理的温度控制曲线，减少施工过程中导致的环境问题。通过采用高温、高压等形式制取仿古青砖，将施工过程中的热能重复利用，实现能源的高效利用。
根据以往实验过程中揭示烧结普通砖的局部抗压、剪切和受压复合受力下的抗剪、通缝弯曲抗拉、竖向压应力较大时的齿缝抗拉和抗弯性能会略优于高温蒸压砖。但大量对比实验，研究表面现存烧结普通转在成品的质量和热工性能方面层次不齐，不同程度地存在着某些缺陷。烧制过程中，受热温度、时间控制不精准也产出了一部分的劣质过火、欠火砖，导致原料的利用率下降。
本课题组在进行本课题前期研究时，已专门为本课题研究购买了粉碎机、小型球磨机、制坯机，还订3台非标大炉膛硅钼棒全自动控制高温炉，工作容积达550mm x 360mm x 360mm，工作温度达1600°C。按前述拟定的各种参数，可以在实验室内完成高温蒸压砖的制备工作，这也将对其性能优化、改进生产工艺、节约能源等方面具有重要意义。
8) 工艺优化：找出玄武岩纤维等原材料的最佳掺合比、仿古青砖最佳制取压强、温度、时间，保证经济。实现对于仿古青砖外表的数字化雕刻技术优化，实现青砖与原建筑的适配。
9) 力学试验：玄武岩加强高压蒸汽砌体基本力学性能试验研究包括：抗压、抗剪、剪压复合受力下抗剪、齿缝抗拉、齿 缝抗弯、通缝抗弯、局部抗压、折压比测试、拉墙筋及膨胀螺栓锚固性能、弹性模量、剪切模量及泊松比等共约12项试验，并判定力学性能是否符合要求。
通过对玄武岩加强高延性仿古青砖的试验研究，要了解其以下特点：
①砌体抗压强度及破坏时的脆性;
②受压变形性能；
③局部抗压强度；
④砌体的纯剪强度；
⑤在剪压复合受力下的抗剪强度;
⑥传热系数；
⑦孔隙结构对冻融循环的影响；
广西工学院土木工程检测中心是一级资质试验室，能高质量地完成本次研究所涉及的全部试验。
11）新型加工工艺和安装工法技术研究：研发现代环保水泥+纳米增粘剂+防老剂+高强度纤维+着色剂等新型环保材料组分和快速硬化技术，提高产品强度和耐久性能。现场快速安装工法研究，保证施工精度、整体稳定和耐久性。
12)建筑声学试验：广西工学院有专用的建筑声学实验室，配有 标准混响室、标准隔声室、国内最先进的丹麦B—K公司22150建筑声学系统、环境噪声系统、声级计等高、精、尖的研究测试设备，能完成本项目的全部建筑声学试验。
13)中试：在生产线上试产玄武岩加强高压蒸汽仿古青砖，验证并修正实验室结果。
14)中试产品验证：完成中试产品的力学试验、热工学与声学试验，优化生产工艺。
`指导生产厂家规模生产玄武岩加强高压蒸汽仿古青砖，对于桂林市内部分古建筑进行试点修复工作，逐渐形成产业链。 
青砖，也被称为仿古砖，是一种有着悠久历史的传统建筑材料，在中国尤其被广泛使用。然而在全球范围内，因其独特的美学魅力和环保特性，青砖的使用和需求也在逐步增长。
在国内，仿古青砖的使用主要集中在古镇、古村、景区等地的修复和建设中。据中国建筑材料行业协会报告，2019年，中国仿古砖行业总产值约为60亿元人民币。由于国内对古建筑的保护意识加强，以及旅游业的快速发展，预计未来几年该数值仍将保持稳定增长。
在国外，尤其是欧美地区，仿古青砖主要用于高端家居、庭院和商业空间的装饰。尽管仿古青砖在这些地区的使用量并不大，但其独特的美感和环保特性，使得需求逐年增长。据全球砖石市场报告，2018年，北美仿古砖市场规模约为8亿美元，预计到2023年，这一数字将增长到10亿美元。
此外，从环保角度来看，仿古青砖也有其独特的优势。一方面，青砖在生产过程中的碳排放量较低，因此被视为一种环保建材。另一方面，青砖的生产过程中也能够有效利用废弃物料，如煤渣、瓷器碎片等。据中国砖石协会数据，2018年，我国青砖生产过程中废弃物利用率达到了80%。 
1.选用了较为科学的配合比：在基于原有高岭土的前提条件下，使用3：1的石灰改良掺合料，通过往仿古青砖的配料中添加了0.3%的玄武岩纤维，保证了仿古青砖在保证经济实惠的前提条件下，可以获得最大的经济效益。
2.BIM技术和古建筑修复结合：采用计算机修复和模拟的方式，可以更加智能高效的还原古建筑以及相应的构件，利用三维重建技术，可以实现对于仿古青砖和原建筑的适配效果。
3.合理改进砖的砌体结构：针对北方四合院等传统民居墙体保温性能差的问题，提升了墙体的保温性能，节约了能源。
4.新型水泥土的研发：从古代建筑修复中获得灵感，采用蛋清、蔗糖、石灰等辅料制备新型的水泥土，一方面降低了成本，更加经济石灰；另一方面，减少了建筑物墙体的影响，具有一定修复古建筑的作用。 
技术路线：
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拟解决的问题：
研制玄武岩加强高压蒸汽仿古青砖，要解决的技术难题是：
1)研究熟石灰、玄武岩纤维等掺合料的配比；
2)辅料的掺合比；
3)最佳制取温度和压强；
研究中要解决的技术关键问题有：
1)对于古建筑的取模技术；
2)计算机古建筑修缮工艺；
3)优化生产工艺，使得生产过程中的热能可以二次利用 
2024年04月 ～ 2024年06月：文献资料调研、试验设计以及前期准备工作；
2024年07月 ～ 2024年10月：试验制作以及进行试件加载；
2024年11月 ～ 2025年01月：建筑模型的建立以及模拟修复；
2025年02月 ～ 2025年04月：完成结题报告，提交成果，申请项目结题。 
已经申请实用新型专利一项《仿古青砖及其墙结构》（专利号：ZL202320430141.1）,参与了相关的大创项目，对于桂林市江头村及其周边地区的古建筑分布状况进行的实地考察。参与了相关的“三下乡”社会实践活动，对于古建筑修复研究已经打下了一定的基础。
（1）已具备的条件：
本项目组成员具有扎实的专业基础知识和实践动手能力，创新能力、逻辑思维能力、沟通交流能力强。项目团队还具备在实践过程中的有效资源，操作性强。组内成员默契程度高，配合能力强，此次积极参与到“纤维复材筋混凝土梁抗冲击性能”的项目之中，能提前锻炼自己各方面的能力，且在导师的指导下可保证项目顺利圆满完成。
桂林理工大学土木与建筑工程学院的实验室可以提供充足的试验设备和仪器，满足了本项目所需要的试验环境及条件。学校图书馆有大量相关专业的书籍、期刊，并且有专门的图书阅览室。项目团队可通过文摘、索引期刊等检索工具书查阅文献。学校电子图书馆可以免费下载学术期刊论文，可以通过微机联网检索等先进的查阅文献方法进行文献查阅。导师在学生进行论文创作的前期工作中提供很大的帮助，在学生选题、立论、资料收集等各个阶段都提供了参考意见，并经常与学生进行沟通，为学生的论文撰写工作提到了很重要的辅助作用。这些都为学生提供了良好的研究条件。
（2）尚缺少的条件：
1.在研究过程中，要进行模型的取模、原材料理化成份分析、制坯、在实验室制备、力学试验、热工试验、声学试验、中试等， 现有的对完成本课题的研究尚有一定的差距，要对现有的设备和环境进行的改造，消耗一定的原料和能源，需要一定的资金投入。
2.在实验过程中，由于原料、设备、技术、工艺、场地、环境、管理等方面同普通烧结砖的制备过程存在差别。因此，须要投入资金对要对原有的生产原料、设备、技术、工艺、场所、环境、管理等进行改造。
3.对于部分残缺古建筑进行电子扫描取模，建立高精度的模型，并利用计算机进行修复的过程中，缺乏相应的仪器和设备，对于相应工具的利用上存在一定的不足。因此，需要对于设备使用环境等进行调试。 

经费预算

开支科目 预算经费（元） 主要用途 阶段下达经费计划（元）
前半阶段 后半阶段
预算经费总额 10000.00 无 3950.00 6050.00
1. 业务费 5000.00 图纸设计、数据处理等资料的借阅与打印 1450.00 3550.00
（1）计算、分析、测试费 300.00 图纸设计、数据处理等资料的借阅与打印 150.00 150.00
（2）能源动力费 1000.00 做实验耗费的水电费 500.00 500.00
（3）会议、差旅费 1000.00 进行现场调研的交通及住宿费 400.00 600.00
（4）文献检索费 700.00 查阅和检索相关文献 400.00 300.00
（5）论文出版费 2000.00 论文出版、印刷、装订费 0.00 2000.00
2. 仪器设备购置费 500.00 购买切割机、台钳、高压水枪、打磨机等 200.00 300.00
3. 实验装置试制费 500.00 实验设备管理、维修 300.00 200.00
4. 材料费 4000.00 进行相关的实验测试 2000.00 2000.00
结束

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