先进化工材料关键技术丛书--高技术混凝土材料

《高技术混凝土材料》是“先进化工材料关键技术丛书”的一个分册。
本书提出高技术混凝土概念，其目的是为了构建更为科学的研究体系和评价方法。高技术混凝土材料的范畴包括：高强混凝土、高性能混凝土、超高强混凝土和超高性能混凝土，以及高性能复合结构混凝土和新型功能混凝土材料。本书以著者团队30多年来围绕高技术混凝土材料所开展的研究与开发工作为基础，系统阐述高技术混凝土用关键原材料特性及其作用机理；全面介绍材料结构设计和性能提升的新方法；总结研发创新思路和技术特点，形成从混凝土原材料制备到应用全寿命周期过程的高性能化、多功能化、全生态化和新技术化体系。
《高技术混凝土材料》内容丰富、体系完整，具有系统的理论性，广泛的实用性，适合从事材料、化工领域，尤其是建筑材料领域科研和工程技术人员阅读，也可供高等学校无机非金属材料工程专业、功能材料专业及相关专业师生参考。

胡曙光，湖北武汉人，工学博士，武汉理工大学首席教授，博士生导师，硅酸盐建筑材料国家重点实验室副主任，国家新世纪百千万人才工程（第一层次）人选，享受国务院政府特殊津贴。
从事教学科研工作40年，主持和承担国家自然科学基金、“863计划”、“973计划”、国家科技攻关计划、国家科技支撑计划以及各类部省级科研30多项。主要研究领域和方向：先进水泥基复合材料设计理论与制备技术，高技术混凝土研究与工程应用，环境与生态建筑材料制备原理与应用技术，特种水泥与混凝土制品研究开发，数字与信息技术在水泥混凝土领域的研究应用。
参加各种国家重点工程混凝土材料研究与技术开发应用百余项，在钢管混凝土组合材料应用于大跨度拱桥工程、钢-混凝土/沥青复合材料应用于桥面铺装结构工程、混凝土结构/功能一体化材料应用于深水大断面盾构隧道工程、水泥-沥青复合砂浆材料应用于高速铁路轨道板工程、高强轻集料混凝土材料应用于混凝土结构工程、低温升抗裂混凝土材料应用于超大体积混凝土工程，以及水泥与混凝土高效生态化利用固废技术、新型功能混凝土材料研发和技术探索应用等方面取得了有影响的成果。获国家技术发明二等奖1项、国家科技进步二等奖5项，省部级科技进步和发明一等奖12项，授权国家发明专利110项，发表SCI、EI 学术论文180余篇，出版著作7部，培养研究生100余名。

混凝土是当今使用广泛的建筑材料，目前全世界的混凝土年产量约40亿立方米，其中我国占到55%左右，混凝土材料为我国的经济快速发展做出了重要贡献。现代建筑工程对混凝土品质和性能要求越来越高，传统混凝土材料正面临着在使用性能、工程技术应用和生态环境等方面的严峻挑战。因此，提升混凝土材料品质与性能，提高其利用效能，并使之成为环境友好型材料，对实现可持续发展具有极其重要的作用。
胡曙光教授所领导的武汉理工大学团队数十年坚持先进混凝土材料研究和技术开发工作，其学术成果在我国乃至世界混凝土领域具有一定的影响。他是在国际上较早开展先进水泥基复合材料研究的学者之一，在高性能复合结构混凝土研究及其工程应用和新型功能混凝土材料探索创新等方面取得了系列引人关注的成果。

混凝土是迄今为止世界上最大宗的人工制备材料，是现代社会文明和进步的重要基石。随着现代工程建设向更大规模、更长跨度、更深广空间和更严酷服役环境发展，对混凝土及其制品的强度、性能和耐久性的要求越来越高，材料的制备和工程施工的难度则越来越大，既有混凝土技术不断面临新的挑战。
实际上，从混凝土技术诞生之日起人类就没有停止过对其探索和创新，特别是20 世纪末以来的三十多年间，随着相关科学技术的快速发展，混凝土领域的科技工作者更加注重学习和引入先进理论和技术方法，积极创新实践，不断取得材料性能和制备技术的新突破，为新时代各种创世工程和各类高标准基础设施建设提供了关键技术支撑。
与此同时，正是因为技术思想空前活跃、研究工作更为自由和广阔，混凝土材料也从来没有像今天这样产生科技成果的繁荣，并时常会引发一些技术概念、评价体系的纷争，在一定程度上影响了整体研究工作的效能。为此，我们应系统总结既往经验，遵循混凝土材料自身发展规律，形成科学研究方向和技术途径的共识，提高领域的整体研发水平，实现混凝土技术的更大发展。
本书提出的高技术混凝土概念，不是依据混凝土强度性能指标或材料组成特征来界定，而是以混凝土制备技术结合材料性能先进性而综合归类。其目的是为了建立更易形成共识的技术概念，有利于促进协作和交流，提高混凝土技术创新的整体效率。高技术混凝土的范畴包括：高强混凝土、高性能混凝土、超高强混凝土、超高性能混凝土，以及高性能复合结构混凝土和新型功能混凝土。
全书的逻辑线条是：以著者团队的研究工作为背景，围绕材料科学设计原理，系统阐明高技术混凝土用关键材料特性及其作用机理，全面介绍材料结构设计和性能提升的新方法，总结提炼材料研发的创新思路和技术特点；形成从材料制备到应用全寿命周期过程的高性能化、多功能化、全生态化和新技术化体系。在此基础上，重点介绍了高性能复合结构混凝土方面的技术开发和工程应用经验，以及近年来在功能混凝土新技术方面的探索创新成果。
本书是著者团队30多年来在高技术混凝土方面研究与应用成果的总结，内容包括：①国家科技进步二等奖“高性能水泥基复合材料的研究及其工程应用开发”、“混凝土耐久性关键技术研究及工程应用”、“钢管高强混凝土膨胀控制与制备技术及其在大跨度结构的应用”、“深水大断面盾构隧道结构/功能材料制备与工程应用成套技术”；②“功能性水泥基材料设计制备及其性能调控”、“高耐久性钢箱梁桥面铺装结构设计材料制备及施工技术开发”、“利用淤污泥生产环保型优质轻集料及其混凝土的应用技术”等各类省部级科技一等奖十多项；③国家重点基础研究发展计划（973计划）专题“水泥水化机理及过程控制”、“现代混凝土胶凝浆体微结构形成机理”、“严酷环境下混凝土材料损伤演化与退化机理”；④国家高技术研究发展计划（863计划）“高性能轻质结构混凝土用于大跨径桥梁的研究”、“高抗渗长寿命大管径隧道管片材料结构设计与工程应用”、“抗滑、阻燃、降噪多功能隧道路面结构设计与铺装技术”、“高速铁路无碴轨道用CA砂浆研究与应用”、“具有高抗震性能的钢筋高强轻质混凝土制备及强韧化技术”；⑤国家科技攻关（支撑）计划课题“混凝土安全性专家系统”、“高性能轻集料混凝土的研究与应用”、“高性能水泥绿色制造工艺和装备”、“长寿命混凝土制品关键材料及制备技术”；⑥国家自然科学基金“新型无机-有机复合水泥的研究”、“基于集料功能设计与界面结构优化的高技术混凝土研究”、“具有高抗裂吸振功能混凝土的材料设计与制备方法”、“高强轻集料混凝土的脆性特征与增韧技术研究”、“水泥-沥青-环氧树脂复合胶结硬化机理及其微结构与性能研究”、“可循环水泥混凝土材料设计、制备及其性能调控”、“基于应力诱导的水泥石微结构形成机理与调控技术”、“导电功能集料及其复相水泥基材料技术原理与制备研究”、“基于电磁防护的功能集料设计制备原理及其混凝土应用基础研究”等30多项；⑦百余篇研究生学位论文、百余项国家授权发明专利和数百篇研究论文；⑧各类重点工程应用案例。在此衷心感谢国家科技部、国家自然科学基金委、各省部级科技部门的资助，以及众多工程业主单位、设计单位和建设单位的大力支持。
本书著者团队丁庆军、王发洲、何永佳、吕林女、姜从盛、何真等教授参加了主要研究工作，刘志超、杨露、刘云鹏、何永佳、张云升、刘鹏、饶美娟、张文芹、胡传林、杨进、张运华等博士参加了相关研究和书稿撰写、编校工作。特别感谢中国化工学会、化学工业出版社的鼎力支持。此外，本书撰写过程中还得到了一些专家和同行的帮助及指导，在此一并表示衷心感谢。
由于著者学识水平所限，书中内容难免疏漏和不足，恳请业界专家、同仁及广大读者不吝赐教。

胡曙光
2022年1月

第一章 绪论 001
第一节　概述 002
第二节　高技术混凝土发展简史 003
一、普通混凝土 003
二、高强混凝土 004
三、高性能混凝土 005
四、超高强混凝土 006
五、超高性能混凝土 008
六、高性能复合结构混凝土和新型功能混凝土 008
第三节　混凝土材料面临的挑战与机遇 009
第四节　高技术混凝土的技术特点与研究内容 011
参考文献 012

第二章 高技术混凝土用胶凝材料 017
第一节　高技术混凝土用胶凝材料的特征 018
第二节　高技术混凝土用胶凝材料的种类 019
一、水泥 019
二、辅助胶凝材料 020
第三节　高技术混凝土用胶凝材料作用机理与性能 025
一、单组分辅助胶凝材料作用机理与性能 026
二、双组分辅助胶凝材料作用机理与性能 034
三、多组分辅助胶凝材料作用机理与性能 042
第四节　复合胶凝材料设计与开发展望 046
参考文献 048

第三章 高技术混凝土用功能材料 051
第一节　混凝土外加剂 052
一、混凝土外加剂的种类 052
二、混凝土外加剂的功能原理 053
三、混凝土的主要膨胀类型与作用机理 053
四、高能复合膨胀材料设计与制备 057
第二节　聚合物材料 058
一、聚合物的种类 058
二、聚合物的作用 059
第三节　纤维材料 064
一、纤维的种类与特性 064
二、纤维的作用 065
第四节　超细粉材料 066
一、常用超细粉材料 066
二、超细粉材料的作用 067
第五节　纳米晶种 069
一、纳米晶种及其作用机理 069
二、C-S-H纳米晶种的制备 070
三、C-S-H纳米晶种对胶凝材料水化历程的影响 071
第六节　内养护功能材料 073
一、概述 073
二、有机高吸水树脂材料 074
三、无机释水因子材料 080
第七节　功能集料 085
一、功能集料的作用 086
二、功能集料设计与制备 087
三、功能集料的研究开发 089
参考文献 095

第四章 超高强混凝土 099
第一节　无宏观缺陷水泥 100
一、配制原理与制备工艺 100
二、性能与开发应用前景 101
第二节　均布超细颗粒致密体系 102
一、配制原理与制备工艺 102
二、性能与开发应用前景 103
第三节　密实配筋复合材料 105
一、配制原理与制备工艺 105
二、性能与开发应用前景 106
第四节　活性粉末混凝土 107
一、配制原理与制备工艺 107
二、性能与开发应用前景 108
第五节　超高强水泥基复合材料增强机理 110
一、低水胶比超高强水泥基材料组成与结构特征 111
二、影响低水胶比超高强水泥基材料强度的因素 112
三、超高强水泥基材料增强机理 113
参考文献 115

第五章 超高性能混凝土 119
第一节　概述 120
第二节　超高性能混凝土的设计 122
一、超高性能混凝土的制备准则 122
二、基于响应面法超高性能混凝土材料体系设计方法 123
第三节　超高性能混凝土的物理力学性能 132
一、工作性能 132
二、水化与微结构演变 135
三、力学性能 140
第四节　超高性能混凝土的体积稳定性 144
一、超高性能混凝土的收缩特性 145
二、超高性能混凝土的收缩机理 146
三、钢纤维对超高性能混凝土自收缩的影响 148
四、内养护对超高性能混凝土收缩的影响 152
第五节　超高性能混凝土的耐久性能 154
一、抗冻融耐久性 154
二、抗硫酸盐侵蚀 158
三、抗氯离子渗透 160
第六节　新型超高性能混凝土 161
一、绿色超高性能混凝土 161
二、轻质超高性能混凝土 165
第七节　超高性能混凝土的应用 169
一、生活垃圾预处理工厂用超高性能混凝土 169
二、钢桥面铺装用可泵送轻质超高性能混凝土 171
参考文献 172

第六章 高性能复合结构混凝土 175
第一节　钢管混凝土组合材料 176
一、概述 176
二、钢管混凝土膨胀性能设计与控制 177
三、胶凝材料组成匹配设计 184
四、钢管混凝土在大跨径拱桥的工程应用 189
第二节　钢-混凝土/沥青复合桥面铺装结构材料 196
一、概述 196
二、新型钢箱梁铺装结构设计 198
三、铺装材料与结构的设计与性能 206
四、钢桥面铺装施工技术与工程应用 211
第三节　抗侵彻与抗爆炸混凝土 218
一、概述 218
二、抗侵爆混凝土的组成设计与制备技术 219
三、抗侵彻性能 224
四、抗爆炸性能 228
五、抗侵爆混凝土的工程应用与展望 232
第四节　隧道混凝土结构/功能复合材料 234
一、概述 234
二、隧道混凝土管片与衬砌的结构设计 235
三、混凝土管片性能 241
四、功能复合混凝土管片的制备与工程应用 247
第五节　水泥-沥青复合砂浆材料 254
一、概述 254
二、水泥与乳化沥青的胶结硬化机理 256
三、水泥沥青复合砂浆的制备 261
四、水泥沥青复合砂浆的性能 264
五、水泥沥青复合砂浆的工程应用 274
第六节　高强轻集料混凝土结构材料 276
一、概述 276
二、高强轻集料混凝土设计与制备关键技术 278
三、高强轻集料混凝土性能设计与改性技术 284
四、高强轻集料混凝土结构和构件的设计与制备技术 288
五、高强优质轻集料混凝土施工技术与工程应用 294
第七节　低温升抗裂大体积混凝土 299
一、概述 299
二、大体积混凝土的开裂敏感性 300
三、大体积混凝土低温升抗裂技术 302
四、大体积混凝土低温升抗裂技术工程应用 316
参考文献 323

第七章 新型功能混凝土 333
第一节　导电混凝土 334
一、概述 334
二、导电功能集料混凝土的设计与制备 334
三、导电混凝土的发展趋势 338
第二节　水泥基压电复合材料 338
一、概述 338
二、0-3型水泥基压电复合材料的制备和性能 339
三、水泥基压电复合材料的发展趋势 342
第三节　吸波混凝土 343
一、概述 343
二、电磁波吸收与屏蔽机理 344
三、吸波功能集料混凝土的制备与性能 344
四、吸波功能集料混凝土的发展趋势 348
第四节　防辐射混凝土 348
一、概述 348
二、基于功能集料防辐射混凝土 349
三、功能集料防辐射混凝土的发展趋势 352
第五节　储热混凝土 353
一、概述 353
二、储热混凝土制备关键技术 354
三、储热混凝土材料开发 354
四、储热混凝土的发展趋势 358
第六节　高热阻混凝土 359
一、概述 359
二、高热阻混凝土设计与制备技术 359
三、高热阻混凝土的性能 362
四、高热阻混凝土的发展趋势 363
第七节　高阻尼混凝土 363
一、概述 363
二、高阻尼混凝土的设计与制备 364
三、高阻尼混凝土的性能 365
四、高阻尼混凝土的发展趋势 368
第八节　声障混凝土 368
一、概述 368
二、淤污泥集料的声屏障材料制备技术 369
三、轻集料声屏障材料的性能 370
四、轻集料声屏障材料的发展趋势 373
第九节　超疏水混凝土 374
一、概述 374
二、超疏水混凝土设计和制备技术 375
三、超疏水混凝土的性能和应用效果 377
四、超疏水混凝土的发展趋势 379
第十节　空气净化混凝土 379
一、概述 379
二、空气净化混凝土应用存在的问题 380
三、光催化功能集料空气净化混凝土 381
四、空气净化混凝土的发展趋势 382
第十一节　可循环水泥混凝土 383
一、概述 383
二、可循环水泥混凝土设计理念 384
三、可循环水泥混凝土的性能 384
四、可循环水泥混凝土的发展趋势 387
第十二节　树脂集料混凝土 388
一、概述 388
二、树脂集料混凝土的设计思路 388
三、树脂集料混凝土的性能 390
四、树脂集料混凝土的发展趋势 398
第十三节　海岛快速抢修混凝土 398
一、概述 398
二、基于功能集料的海岛混凝土创新构思 399
三、功能集料海岛快速抢修混凝土技术 399
四、海岛快速抢修混凝土应用与展望 401
第十四节　基于气体驱动的3D打印混凝土 403
一、概述 403
二、基于气体驱动的3D打印混凝土的制备 405
三、基于气体驱动的3D打印混凝土的性能 405
四、3D打印混凝土的发展趋势 410
第十五节　转印混凝土 411
一、概述 411
二、多色调转印混凝土的制备技术 412
三、多色调转印混凝土性能研究 412
四、转印混凝土的发展趋势 420
参考文献 420

索 引 425