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基于建筑垃圾纤维的再生超高性能混凝土

申报人：诸宬博 申报日期：2025-01-08

基本情况

2025年批次
基于建筑垃圾纤维的再生超高性能混凝土 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
本团队研究的超高性能混凝土是一种集抗拉强度高、抗震性好、体积稳定性好、耐久性好、抗剪强度高、性价比高、绿色环保等一系列优点于一身的超高强度混凝土材料。本团队对UHPC的原料进行研究，将矿渣代替部分水泥，废旧轮胎钢纤维代替钢纤维，聚合物纤维替换聚丙烯纤维。证明了本产品新型UHPC解决了传统混凝土强度低、抗震性差、耐久性差、不绿色环保等问题，弥补了传统UHPC成本高、养护困难、不环保、能耗高等缺陷。
参与挑战杯广西大学生创业计划银奖、互联网＋广西赛区选拔赛银奖，大创立项一个
主持广州大学基础创新研究项目，基于构架性能的装配式剪力墙结构理论与实验分析
主持广西青年科学基金项目，预制预应力装配式耗能剪力墙抗震性能与设计方法研究；参与十三五”国家重点研发计划项目，工业化建筑隔震及消能减震关键技术
参与国家青年科学基金项目，隔震结构反应谱复振型叠加法关键问题研究
参与横向课题，预制装配式建筑的隔震及消能减震关键技术
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。
区级

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
诸宬博 土木工程学院 土木工程（实验班） 2023 实验数据分析
农小倩 土木工程学院 工程管理 2022 产品力学性质、质量检测
魏文杰 计算机科学与工程学院 人工智能 2023 生产方面的监督
朱泽 土木工程学院 土木工程 2022 技术研发改进

指导教师

序号 教师姓名 所属学院 是否企业导师 教师类型
米鹏 土木工程学院 否

立项依据

传统环保UHPC原料分类、筛选成本高，尽管传统环保UHPC有着优良的性能，但因其建筑垃圾使用量大，人力物力资源使用量极高。在实际的工程建设中难以得到普遍应用，再者，建筑垃圾处理后的固废骨料颗粒细度普遍偏大，无法应用于代替水泥进行使用的想法，资源浪费量较高。传统UHPC干粉料的配合比可能受到原材料质量波动、计量误差等因素的影响，导致实际配合比与设计配合比存在差异。这会影响混凝土的均匀性和性能。水泥的大量使用会大量增加二氧化碳的排放，这会增加碳足迹，与中央推行的双碳政策相违背。干粉料中的不同组分可能存在密度、粒度等差异，导致在混合过程中难以均匀分布，这会影响混凝土的力学性能和耐久性。传统UHPC在配料方面存在一定的缺陷，使得其在实际应用中的性能表现不够稳定。同时，由于传统UHPC的制备过程较为复杂，需要精细的加工工艺和先进的设备支持，这也增加了其制备成本和应用难度。配料方面的缺陷也会导致资源的浪费，间接导致环境污染问题的加重。
结构技术的发展状况是代表一个国家建筑科技水平的重要标志之一，想要使我国的大跨度建筑更上一个台阶，混凝土性能的提高是一个很重要的方面。而对于现代高层建筑的建造，传统超高性能混凝土及其构配件远远达不到技术的要求。所以，研究出一种超高性能混凝土来代替传统混凝土满足高层建筑的施工，并用于规模化生产，是一个必须要解决的重要问题。
1.市场调研与需求分析：深入分析建筑行业对UHPC的需求，确定新型UHPC的市场定位和性能指标。通过文献调研、市场分析、专家访谈等方式，收集UHPC的应用案例和用户反馈，了解行业发展趋势和潜在需求。
2.原料选择与预处理：筛选适合的建筑垃圾作为原料，并开发相应的预处理技术。对建筑垃圾进行分类，研究不同类型固废的物理化学特性，开发固废的破碎、筛分和净化工艺，以满足UHPC原料的质量要求。
3.固废骨料的制备：制备出符合UHPC生产要求的细度骨料，优化颗粒级配。对预处理后的建筑垃圾进行进一步细化，通过实验确定最佳颗粒级配方案，以提高UHPC的密实度和力学性能。
4.碱激发剂的研发：开发新型碱激发剂，以提高UHPC的力学性能和耐久性。研究碱激发剂的化学成分和作用机理，通过实验室合成和性能测试，筛选出最优的碱激发剂配方。
5.UHPC配方设计：结合固废骨料和碱激发剂，设计出性能优异的UHPC配方。进行多组配方试验，通过调整固废骨料、碱激发剂和其他辅助材料的比例，优化UHPC的流变性能、硬化性能和耐久性能。
6.智能配料技术的应用：利用智能配料技术提高原料的利用率和生产效率。开发智能配料系统，根据不同的实地情况计算不同的配比，实现原料的精确计量和自动化混合，减少人为误差，提高生产效率和产品质量。
7.性能测试与优化：对新型UHPC进行全面的性能测试，根据测试结果进行配方优化。进行抗压强度、抗拉强度、耐久性等测试，收集数据，分析UHPC的性能特点，根据测试结果调整配方，提高UHPC的综合性能。
8.成本效益分析：评估新型UHPC的成本效益，确保其市场竞争力。计算原材料成本、生产成本、运输成本等，进行成本效益分析，探索降低成本的途径，提高新型UHPC的市场竞争力。
9.环境影响评估：评估新型UHPC的环境影响，确保其环保性能。评估生产过程中的能源消耗、废物产生、碳排放等环境因素，制定相应的环保措施，确保新型UHPC的绿色生产。
10.中试生产与应用示范：在实际生产环境中测试新型UHPC的性能和应用效果，在选定的建筑项目中进行中试生产和应用示范，收集实际应用中的数据，验证新型UHPC的性能和可靠性。
11.持续改进与创新：根据市场反馈和技术进步，持续改进新型UHPC。收集用户反馈，跟踪技术发展，不断优化产品性能和生产工艺，推动新型UHPC技术的持续创新和升级。
20世纪60年代，美国的POWERS便对水泥净浆进行了- -系列系统的研究，分别从物理结构和微观结构对水泥净浆硬化后的性能进行分析，初步开始研究密实度与水泥净浆强度的关系，为超高性能混凝土的研究奠定了基础。学者们在20世纪70年代初就通过试验研究证实,提高水泥净浆的密实度，可以有效提高混凝土强度。丹麦的BACHE教授在自身试验研究的基础上，提出了DSP(Densified System with UltraFine Particles)理论，即:用充分分散的超细颗粒(硅灰)填充在水泥颗粒堆积体系的空隙中，实现颗粒堆积致密化，从而使粉体颗粒整体密实度提高，也称为致密化体系。在这之后不久，丹麦的Aalborg Portland公司便注册了Densit商标，这是第一一个被注册的UH-PC配合比。此时期也出现了许多其他的配制高强度混凝土的方法，包括BIRCHALL配制出的无宏观缺陷水泥基材料(MDF,Macro Defect-Free Cement),LAN-CARD制备的注浆纤维混凝土(SIFCON),NAAMAN提出的纤维增强混凝土(HPFRCC),BACH等将DSP混凝土基体与钢筋结合,开发了CRC(Compact Rein-forced Composite,密实增强复合材料)等，为UHPC的完善和发展打下了试验基础。
在DSP体系的基础上，通过高效减水剂的作用将混凝土粉体均匀分散开，用更小的水胶比就可以实现更密实化的混凝土，从而得到更高抗压强度的混凝土，称为超高性能混凝土(Ultra-High Performance Concrete,UHPC)，因为一般需掺入钢纤维，也被称作超高性能纤维增强混凝土(Ultra-High Performance Fi-bre Reinforced Concrete,UHPFRC)。但UHPC并不是简单的对HPC和FRP的增强，而是有明确的各项力学性能指标，可以施工制备的新型水泥基建筑材料。LARRARD和SEDRAN在1994年首次提出UHPC的名称，在这之前- -段时间内，BONNEAU在DSP理论基础下，结合MDF和FRC的基础上配制出的活性粉末混凝土(RPC,Reaetive Powder Conerete)，-段时间内甚至作为超高性能混凝土的代名词使用。进入新世纪以来，世界各国对UHPC的研究的开始重视起来。
目前，UHPC的工程应用研究尚处于起步阶段，但已成为土木工程领域极具应用前景的新型建筑材料。各国在UHPC的组成材料和配比、制作、养护以及其物理力学性能方面的研究较多，但对UHPC实际桥梁结构的力学性能、设计计算理论等方面的研究却较少。
（1）新型UHPC材料开发：项目团队开发了一种新型超高性能混凝土（UHPC），这种材料集高抗拉强度、良好抗震性、体积稳定性、耐久性、高抗剪强度、高性价比以及绿色环保等优点于一身。
（2）环保原料与垃圾分类技术应用：项目在原料研究上运用了新型的垃圾分类技术，掺入了新型UHPC掺合料，解决了传统混凝土在建筑垃圾分类困难、成本高、易发生渗水和碳化现象等问题。
（3）专利技术和成本效益：项目团队已经获得相关知识产权7项、授权6项，这些专利技术有助于降低成本，提高产品性价比，并且其性能与传统UHPC基本一致。
（4）创新配合比：项目研究出了UHPC的更优配合比，提高了材料的力学性能，如轴心抗压强度、立方体抗压强度、圆柱体抗压强度、劈裂抗拉强度和抗折强度。
1.技术路线：

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2.拟解决的问题：
（1）传统混凝土性能局限：传统混凝土的抗拉强度低，导致其在受拉或受冲击时容易发生断裂；脆性大意味着在受到超出其承载能力的荷载时，混凝土可能会突然破坏；体积稳定性不良可能导致混凝土在硬化过程中出现裂缝，影响结构的耐久性。
（2）成本与环保问题：传统UHPC的生产成本较高，限制了其在建筑项目中的广泛应用；养护困难可能导致UHPC在硬化过程中出现问题，影响其性能；高碳排放和能耗不符合当前对环保和可持续发展的要求。
（3）施工效率：提高施工便利性可以减少施工过程中的复杂性和时间消耗；减少施工时间和成本直接关系到建筑项目的经济效益。
（4）市场竞争力： 技术创新和性能优势是提高产品市场竞争力的关键因素；通过提供高性能、低成本的UHPC，可以吸引更多建筑商和工程师使用该材料。
3.预期成果：
（1）高性能材料：新型UHPC材料将具备更高的力学性能，如抗压强度、抗拉强度和耐久性。良好的耐久性意味着材料能够抵抗恶劣环境的侵蚀，延长建筑的使用寿命。
（2）成本效益：实现与传统UHPC性能一致的同时，显著降低生产成本，提高产品性价比。环保性能的提升将减少生产过程中的资源消耗和环境污染。
（3）市场应用：在桥梁、高层建筑、基础设施等多个建筑领域推广UHPC材料；扩大市场应用范围有助于提高UHPC的知名度和市场份额。
（4）社会效益：提高建筑安全性和耐久性，降低长期维护成本，为建筑业主和用户带来经济效益。通过提升建筑性能，增强公众对建筑行业的信任和满意度。
2024年12月 ～ 2025年01月：查找资料、走访调研等前期准备工作；
2025年02月 ～ 2025年05月：设备校准调试及实验设计；
2025年06月 ～ 2025年09月：实验数据记录和结果分析；
2025年10月 ～ 2025年12月：完成结题报告，提交成果，申请项目结题。
（1）项目组成员来自土木工程的各个学科，拥有一定的数据分析能力和特定软件使用能力，在新型超高性能混凝土的研制方面具有一定的知识基础。
（2）专利技术获取：项目团队已经获得相关知识产权7项、授权6项，这些专利技术涵盖了UHPC的制备方法、构件设计和施工方法等，为项目提供了坚实的技术基础。
已具备的条件：
项目团队已经开发出新型UHPC材料，并获得7项相关知识产权和6项授权。
团队由不同专业背景的成员组成，涵盖土木工程、工程管理、人工智能等。
桂林理工大学土木工程学院的实验室可以提供充足的试验设备和仪器，满足了本课题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。课题组成员可通过文摘、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。
尚缺少的条件：
（1）在成本方面，实验特定原材料需要从特定供应商处采购，这涉及高昂的成本和长时间的交货周期。实验室的设备不适合工业规模的生产，这限制了实验的规模和结果的可扩展性，需要对实验室的设备和环境进行必要的改造，设备的维护和校准也同样需要花费一定时间和资金；因此，需要寻找赞助或额外的资金来源来支持实验。
（2）在实验过程中，数据的记录和分析都需要精确完善，任何小错误都可能导致结果无效，对于在这方面的不足，我们需要提高统计和分析技能，因此需要使用特定的软件或方法；同时在复盘过程中，会发现理论模型与实际生产之间存在差异，需要调整实验方案以适应实际情况，因此需要进行多次迭代和优化以获得理想的结果。
（3）在环境因素方面，UHPC的生产过程包括复杂的步骤，如精确的配比和特殊的固化技术，实验条件如温度、湿度可能对UHPC的性能有显著影响。因此，需要控制或考虑这些环境因素，实验结果需要通过其他方法或第三方验证以确保实验结果的准确性和一致性。

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 12000.00 项目整体运转 5900.00 6100.00
1. 业务费 6500.00 保障项目正常运行 2400.00 4100.00
（1）计算、分析、测试费 2000.00 确保项目质量 600.00 1400.00
（2）能源动力费 1000.00 提供必要的能源动力支持 400.00 600.00
（3）会议、差旅费 1000.00 组织参与外出活动 400.00 600.00
（4）文献检索费 0.00 提供必要的数据支撑 0.00 0.00
（5）论文出版费 2500.00 确保研究成果的质量 1000.00 1500.00
2. 仪器设备购置费 0.00 购置仪器设备 0.00 0.00
3. 实验装置试制费 0.00 确保实验质量 0.00 0.00
4. 材料费 5500.00 购置必要材料 3500.00 2000.00
结束

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