我國每年產(chǎn)生的廢舊混凝土超25億噸，且每年以8%的速度增加，環(huán)境壓力巨大，實(shí)現廢舊混凝土的資源化利用迫在眉睫，其高效消納不僅響應了國家節能減排和可持續發(fā)展理念，也是實(shí)現“雙碳”戰略目標的重要途徑。

　　研究表明，當前再生混凝土應用現狀存在再生骨料品質(zhì)不佳、配制機制不明、產(chǎn)業(yè)化配套工藝與設備缺乏等技術(shù)瓶頸。針對這些問(wèn)題，我們團隊聯(lián)合中國建筑第七工程局有限公司、中鐵七局集團有限公司、河南交通投資集團有限公司等單位，踐行“產(chǎn)-學(xué)-研-用”融合創(chuàng )新理念，按照“高品質(zhì)粗骨料研制—再生水泥及水泥基材料研發(fā)—再生混凝土配制及性能提升—再生混凝土結構設計—再生混凝土產(chǎn)品生產(chǎn)設備及關(guān)鍵技術(shù)開(kāi)發(fā)—成套設備集成創(chuàng )新—產(chǎn)業(yè)化應用—智慧設計應用平臺搭建”全鏈條研發(fā)思路，在國家重點(diǎn)研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金面上項目等項目支持下取得系列原創(chuàng )性成果，研究成果的推廣與應用提升了廢舊混凝土消納水平及利用附加值，拓展了其應用領(lǐng)域及范圍。該研究成果相續獲得工程建設科學(xué)技術(shù)成果一等獎、河南省科技進(jìn)步獎二等獎等獎勵，并在交通運輸、土木工程、水利工程等領(lǐng)域50余項工程中得到應用與推廣，社會(huì )經(jīng)濟、生態(tài)效益顯著(zhù)。

　　在再生混凝土領(lǐng)域，我們從理論到實(shí)踐走出了一條自主創(chuàng )新之路，設計了一套獨具特色的“中國方案”，這套方案主要有五大創(chuàng )新亮點(diǎn)。

　　亮點(diǎn)一：提出了一套高品質(zhì)混凝土再生粗骨料制備方法與分形評價(jià)體系，研制了一系列綠色再生水泥及低碳高性能再生水泥基復合材料。

　　建立了再生粗骨料分形評價(jià)體系：確定了軸向系數、片狀系數、球度、均勻度、比表面積及糙度6個(gè)再生粗骨料形狀指標參數，探究了不同形狀指標參數對再生粗骨料物理性能的影響規律;構建了不同類(lèi)型再生骨料的3D模型，基于力學(xué)試驗及微觀(guān)分析，揭示了再生粗骨料對混凝土力學(xué)性能的影響機理;探明了物相組分、界面結構等微觀(guān)特征對再生混凝土力學(xué)性能的影響機制，構建了再生粗骨料品質(zhì)提升量化指標分形評價(jià)體系，為再生粗骨料包裹砂漿高效去除設備研制提供理論支撐與技術(shù)支持。

　　再生粗骨料品質(zhì)與混凝土力學(xué)性能關(guān)系

　　研發(fā)了一套再生粗骨料包裹砂漿高效去除設備：基于Python和ABAQUS建立了再生混凝土五相隨機骨料模型，揭示了不同受力狀態(tài)下附著(zhù)砂漿剝離機制;提出了再生粗骨料包裹砂漿表面覆蓋率測定方法，首次將包裹砂漿覆蓋率定量化、參數化，為包裹砂漿高效去除設備研發(fā)提供理論支撐與技術(shù)支持;量化了再生骨料入射速度及角度、襯板性能參數等，提出了撞擊破碎、二次研磨的“撞擊+研磨”再生粗骨料高品質(zhì)制備工藝，顯著(zhù)提高了包裹砂漿去除效率(80%以上)，并達到最佳顆粒整形效果。

　　再生混凝土五相隨機骨料模型

　　研磨機研發(fā)

　　提出了物理-化學(xué)協(xié)同增強再生粗骨料品質(zhì)提升方法：分別從宏觀(guān)、微觀(guān)層次揭示了機械研磨協(xié)同納米SiO?溶液預浸作用下再生粗骨料性能提升機理;提出了物理-化學(xué)協(xié)同增強再生粗骨料品質(zhì)提升技術(shù)，改善了再生粗骨料物理性能指標，壓碎值降低33%以上，吸水率降低28%以上。

　　物理-化學(xué)協(xié)同增強再生骨料

　　納米SiO?溶液強化再生粗骨料物理性能

　　研發(fā)了一系列綠色再生水泥，研制了低碳高性能再生水泥基復合材料：以廢舊混凝土細小顆粒及砂漿為基材，基于堿激發(fā)、機械研磨、納米SiO?改性等成套技術(shù)，研發(fā)了多種新型再生綠色膠凝材料;建立了纖維和納米粒子改性低碳再生水泥基復合材料本構模型，研制了纖維-納米SiO?低碳高性能再生水泥基復合材料，提升了再生水泥基復合材料界面粘結特性及耐久性能。該研究成果提升了廢舊混凝土再生利用附加值。

　　再生水泥基材料制備流程

　　再生水泥基材料力學(xué)性能活化機理

　　亮點(diǎn)二：提出了再生混凝土多尺度性能提升理論，建立了再生混凝土損傷本構模型，發(fā)明了高品質(zhì)再生混凝土制備方法。

　　提出了基于多尺度的再生混凝土性能提升理論：基于納米SiO?的微觀(guān)填充效應、微生物礦化以及纖維的宏觀(guān)增韌作用，提出了微生物-納米-纖維協(xié)同增強的再生混凝土性能提升及裂縫自修復方法;以質(zhì)量損失率、相對動(dòng)彈性模量和抗壓強度損失率為評價(jià)指標，揭示了納米SiO?與纖維協(xié)同作用抗凍性能提升機理;基于試驗研究、數值模擬，提出了宏觀(guān)-細觀(guān)-微觀(guān)多尺度性能提升理論。

　　再生混凝土性能多尺度分析理論

　　建立了再生混凝土損傷本構模型：基于雙參數Weibull統計分布理論和應變等效假設，揭示了損傷閥值和彈性模量參數對本構模型的影響;修正了過(guò)鎮海模型參數，探明了曲線(xiàn)參數q、p與納米SiO?、纖維摻量的關(guān)系，建立了納米SiO?與纖維協(xié)同增強再生混凝土損傷本構模型。

　　再生混凝土損傷本構模型的構建

　　提出了高品質(zhì)再生混凝土制備方法：基于Python與ABAQUS建立了考慮界面過(guò)渡區參數的再生混凝土五相隨機骨料模型，探明了再生混凝土細觀(guān)破壞機理;基于室內力學(xué)及耐久性能試驗，揭示了再生混凝土力學(xué)及耐久性能指標提升機制;以高品質(zhì)粗骨料和再生水泥為基材，研發(fā)了一系列節能降耗、性能穩定再生混凝土。

　　再生混凝土單軸壓縮破壞數值模擬

　　高品質(zhì)再生混凝土研制

　　亮點(diǎn)三：闡明了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移破壞機理，建立了再生混凝土結構粘結滑移本構關(guān)系模型。

　　研發(fā)了一套基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土結構鋼筋粘結滑移試驗設備：基于聲發(fā)射技術(shù)實(shí)現了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移破壞及內部損傷的全過(guò)程監測;揭示了聲發(fā)射參數與構件不同階段粘結滑移表征指標相關(guān)性，創(chuàng )新了再生混凝土結構粘結滑移監測技術(shù)和評價(jià)方法。

　　基于聲發(fā)射技術(shù)的再生混凝土結構鋼筋粘結滑移試驗設備研制

　　闡明了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移破壞機理：結合隨機骨料和塑性損傷模型，建立了再生混凝土結構精細化三維細觀(guān)數值模型，揭示了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移破壞形態(tài)及演變規律;基于混凝土軟化本構關(guān)系、虛擬裂縫假設等，明晰了鋼筋與再生混凝土界面粘結破壞機理;基于彈性理論與厚壁圓筒彈性力學(xué)模型，探明了粘結滑移各階段受力特性，推導了界面粘結強度解析解，揭示了再生混凝土結構粘結滑移破壞機制。

　　再生混凝土厚壁圓筒粘結滑移模型

　　再生混凝土粘結滑移破壞機制

　　建立了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移本構模型：基于再生混凝土鋼筋拉拔試驗，結合數值模擬手段，揭示了再生混凝土與鋼筋界面粘結性能衰減機制及其結構性能演變規律;提出了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移破壞表征指標，建立了再生混凝土結構鋼筋粘結滑移本構模型。成果為再生混凝土結構設計及應用提供理論支撐。

　　亮點(diǎn)四：研發(fā)了就地再生及構件智能生產(chǎn)等成套設備，開(kāi)發(fā)了系列適應于不同場(chǎng)景的再生混凝土產(chǎn)品及其建造關(guān)鍵技術(shù)，制定了多部配套技術(shù)標準與施工工法，實(shí)現了產(chǎn)業(yè)化應用，成果豐富了廢舊混凝土低碳高附加值消納途徑。

　　提出了基于性能需求的再生混凝土的適用場(chǎng)景分類(lèi)標準：結合工程需求，根據再生混凝土級別和性能參數，構建5大類(lèi)適用場(chǎng)景;驗證了再生混凝土在預制構件、路面底基層等場(chǎng)景中的經(jīng)濟性、可靠性和適用性。

　　不同工程應用場(chǎng)景搭建

　　研發(fā)了再生混凝土構件生產(chǎn)、施工關(guān)鍵技術(shù)及其智能設備：研發(fā)了再生混凝土預制構件自動(dòng)化布料、養生、運輸碼垛打包等成套生產(chǎn)技術(shù)和裝備;發(fā)明了再生混凝土預制六棱塊道路路面鋪裝和路緣石安裝方法。

　　再生混凝土構件智能生產(chǎn)設備研發(fā)

　　亮點(diǎn)五：搭建了基于應用場(chǎng)景的再生混凝土智能可視化設計平臺，集成了多尺度再生混凝土應用數據庫，提供了友好的人機交互界面，打造了再生混凝土經(jīng)濟發(fā)展智慧新模式。

　　集成了不同應用場(chǎng)景下的再生混凝土試驗數據、形成多尺度、多參數的再生混凝土數據庫：基于不同應用場(chǎng)景的工程目標，整合了再生粗骨料質(zhì)量提升、納米SiO?改性再生水泥、纖維增強性能等試驗數據;納入了數值模型模擬結果，帶包裹砂漿再生骨料破壞規律、隨機骨料模型破壞過(guò)程分析等數據，保障了方案生成的科學(xué)性和時(shí)效性。

　　不同應用場(chǎng)景下再生混凝土試驗數據庫集成

　　實(shí)現了不同應用場(chǎng)景下再生混凝土最優(yōu)配合比、試件養護工藝、施工方案的自動(dòng)生成：提供了精簡(jiǎn)的可視化界面，用戶(hù)輸入不同應用場(chǎng)景要求(如力學(xué)強度、工作性能、耐久性)，平臺基于不同應用場(chǎng)景的工程目標，自動(dòng)生成最優(yōu)配合比方案、試件養護工藝、配套施工工法;打造了友好的人機交互界面，以數據化方式展示方案的性能優(yōu)勢與工程適應性;提供了數據的導出與工程報告自動(dòng)生成，方便用戶(hù)進(jìn)行工程應用與決策。

　　基于應用場(chǎng)景的再生混凝土智能可視化平臺搭建

　　作者簡(jiǎn)介：

　　鄭元勛，鄭州大學(xué) 教授/博士生導師，斯坦福全球前2%頂尖科學(xué)家名單入選者(2024)，河南省杰出青年基金獲得者。鄭州大學(xué)學(xué)術(shù)委員會(huì )委員、水利與交通學(xué)院教授委員會(huì )副主任、水工結構與材料所所長(cháng)、道路橋梁與渡河工程專(zhuān)業(yè)負責人。河南省優(yōu)秀教師、河南省教育廳學(xué)術(shù)技術(shù)帶頭人、河南省青年骨干教師、疫情防控中表現突出的河南省第一團支書(shū)、留學(xué)人員科技活動(dòng)項目擇優(yōu)資助獲得者、河南省優(yōu)秀碩士學(xué)位論文指導老師等榮譽(yù)獲得者。兼中國大壩工程學(xué)會(huì )大壩混凝土與巖石斷裂力學(xué)專(zhuān)業(yè)委員會(huì )專(zhuān)家委員、中國硅酸鹽協(xié)會(huì )固廢與生態(tài)材料分會(huì )專(zhuān)家委員、中國公路學(xué)會(huì )會(huì )員、國家自然科學(xué)基金委通訊評審專(zhuān)家、教育部學(xué)位中心通訊評議專(zhuān)家等，擔任《International Journal of Pavement Engineering》、《American Journal of Civil Engineering》、《施工技術(shù)(中英文)》、《內蒙古工業(yè)大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)》等多個(gè)國內外期刊編委。在國內外重要學(xué)術(shù)期刊發(fā)表科技論文150余篇，其中以第一作者或通訊作者發(fā)表SCI論文89篇(中科院一區論文45篇);申請國家發(fā)明專(zhuān)利28項;主編及參與編制專(zhuān)著(zhù)8部(英文專(zhuān)著(zhù)1部)，出版教材2部，出版地方規范2部。主持國家自然科學(xué)基金面上項目3項、國家重點(diǎn)研發(fā)計劃項目子課題1項、國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項目課題1項，參與其他國家級項目5項，主持完成橫向課題50余項。研究成果相續獲中國工程建設科學(xué)技術(shù)成果一等獎1項(第1)、教育部科學(xué)研究?jì)?yōu)秀成果二等獎1項，河南省科技進(jìn)步二、三等獎各1項(第1)，獲其他省部級科技進(jìn)步獎3項。研究成果已成功應用于我國交通基礎設施等工程領(lǐng)域，取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益和社會(huì )效益。近5年來(lái)，指導學(xué)生獲得國家級、省部級創(chuàng )業(yè)創(chuàng )新大賽獎勵10余項。