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。
