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西安建筑科技大学姚尧教授团队在新型绿色建筑材料研发及性能提升、结构防灾应用领域取得系列研究进展

编辑: 发表时间:[2023-04-27] 阅读:

近期,我校土木工程学院姚尧教授团队在新型绿色建筑材料研发、力学性能提升及结构防灾应用领域取得重要研究进展,发表一系列高水平学术论文,西安建筑科技大学为第一完成单位,姚尧教授为论文通讯作者,相关研究成果已于中建八局等企业合作,逐步应用到实际工程。

随着纳米科技的进步,纳米碳纤维、碳纳米管和石墨烯等材料被认为是理想的复合工程材料增韧相。基于此,姚尧教授团队提出了一种新型石墨烯水泥复合材料的制备方法,利用葡萄糖等廉价碳源,实现了石墨烯在水泥颗粒表面的原位生长,解决了石墨烯在水泥基体中的团聚问题。该研究成果大幅度降低了石墨烯混凝土的制备成本,显著提高了其力学性能,对于纳米材料的工程化应用具备重要意义(图 1)。

 

图 1 原位生长氧化石墨烯功能化水泥及其制备方法

为提高混凝土材料的耐火性能,混掺纤维是一种常见的增韧方法。姚尧教授团队通过试验及理论研究,阐明了天然纤维、玄武岩-聚丙烯混杂纤维对混凝土高温力学性能的影响(图 2)。研究了黄麻、竹等天然纤维在水泥基环境中的高温热解机理,计算分析了其热解动力学参数。选用聚丙烯纤维及玄武岩纤维制备混杂纤维砂浆,对其高温力学性能和细观机理进行了深入研究,揭示了混凝土中混杂纤维的高温协同响应机理。

 

图 2纤维混凝土高温力学性能研究

工业与农业废料循环利用是实现国家“十四五”规划低碳城市建设和“双碳”战略的重大需求。姚尧教授团队通过对西部地区的工业和农业固废进行高效利用,研发绿色低碳超轻质混凝土并进行产业化应用(图 3)。采用加速碳矿化技术和人工造粒技术,将农业及建筑固废制备成具有良好固碳性能的人工骨料。利用地质聚合反应,创新性的将空心玻璃微珠和西部常见粉煤灰、矿渣等大宗固废共同激发固化,研发出新型低碳超轻胶凝材料,实现了固废消纳。针对其工程应用的关键技术,姚尧教授团队与中建八局等公司开展产学研合作,将研发的低碳超轻质混凝土应用于建筑免拆模板、装配式预制构件,节约了模板支拆用工,降低了构件运输、吊装的难度和成本,减少了工程碳排放,推动了绿色安全模块化建筑的发展。

 

图 3 轻质骨料混凝土建筑模板-结构一体化研究

相关研究成果在中科院top期刊《Construction and Building Materials》(2023年影响因子:7.693)发表论文6篇,并获批发明专利2项。轻质混凝土模板-结构一体化相关研究被应用于西部(咸阳)科技创业湾示范项目。

混凝土的高温力学性能对建筑结构可靠性有重要影响,对建筑物的耐火承载力计算尤为重要。针对高温下混凝土的蠕变和纤维增韧力学行为,姚尧教授团队基于热力学理论,引入自由能函数和熵增理论,提出了瞬态蠕变、徐变计算方法及纤维混凝土高温损伤演化模型,建立了具有更高普适性的混凝土高温弹塑性损伤本构模型,其参数具有更明确的物理意义,为混凝土结构抗火设计提供了可靠的理论依据。相关研究成果在《ASCE Journal of Engineering Mechanics》、《Construction and Building Materials》、《Materials and Structures》等国际期刊发表。

 

图 4  混凝土高温本构研究

在已有高温下建筑材料力学性能研究的基础上,为揭示火灾下建筑结构防灾减灾机理、优化大规模场景下人员疏散路线,姚尧教授团队基于三维数值仿真、多算法的集成模型(IEO Model)及火灾试验开展针对性研究(图 5):揭示了钢筋混凝土、钢-混凝土组合结构的火灾下抗连续性倒塌机理,为建筑结构鲁棒性分析提供技术支撑;实现了大规模场景下人员疏散路线动态规划,为行人安全高效撤离提供理论依据。相关研究成果在《Journal of Building Engineering》(2023年影响因子:7.144)、《Steel and Composite Structures》、《Structures》等国际期刊发表。

 

图 5 结构-区域级防灾减灾研究

作者简介:姚尧教授长期从事绿色建筑材料研发、材料高温力学性能和结构抗火一体化研究。在 Advanced Functional Materials ; Progress in Materials Science ; Nano Letters;ASCE Journal of Structural Engineering;Engineering Structures; International Journal of Plasticity;Acta Materialia;Applied Mechanics Reviews; Construction and Building Materials;Thin-Walled Structures 等本领域知名国内外SCI期刊以第一或通讯作者发表论文200余篇,被引3600余次,入选斯坦福大学发布的“全球前2%科学家”。在国内外学术会议作大会邀请报告30余次,出版专著3部,专利20余项。主持国家自然科学基金项目3项,陕西省重点研发等项目10余项。获陕西省青年科技奖、陕西高等学校科学技术一等奖三次(排名第一)、美孚专利发明奖、总裁创新奖等荣誉。入选德国洪堡资深学者、国际先进材料学会会士、秦创原“科学家+工程师”首席科学家,部分研究成果已应用于国内外实际工程。担任中国建筑学会防火综合技术分会副理事长,陕西省科技创新团队、国家111创新引智基地负责人,以及多个国际知名学术期刊副主编、编委。

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