1.实验室简介

河北省工程防护特种材料与多功能结构重点实验室依托河北工业大学建设，面向国家国防安全、重大工程防护和韧性城市建设需求，以防护结构与材料为主要学科基础，围绕防护工程新材料、新结构与新技术开展系统研究。实验室立足河北工业大学土木工程、材料科学、工程力学、智能建造等优势学科方向，聚焦强动载、爆炸冲击、侵彻毁伤、电磁防护及多灾害耦合作用下工程结构的安全防护问题，致力于打造防护工程“最强之盾”。

实验室主要设有高性能特种防护材料、结构多灾害韧性技术、多功能防护结构与抢建技术三个研究方向。围绕高强韧水泥基材料、电磁吸波与屏蔽材料、快响应高性能修复材料等开展特种防护材料研发；围绕高温、疲劳、冲击、爆炸、侵彻等多灾害耦合作用下结构动力响应、损伤演化、残余性能评估与快速修复技术开展研究；同时结合数字孪生、智能工厂、模块化建造与快速拼装技术，研发高抗力组合防护结构及其快速建造方法，提升防护工程结构的抗打击能力与应急保障能力。

依托单位河北工业大学具备良好的科研基础和平台条件，本实验室已形成一支以国家级、省部级高层次人才为骨干，结构合理、创新活跃的科研队伍，现有固定人员36人，包括国家级人才6人，正高级职称16人，副高级职称12人，具有博士学位人员36人，并产出多篇高水平论文。重点实验室成立以来，团队承担了国家自然科学基金、科技部、军科委项目等多项科研任务，发表高水平论文、授权发明专利、出版专著并参与标准编制，在结构抗爆、防护材料、多灾害韧性与快速修复等方面形成了系列创新成果。实验室将持续服务国家安全战略需求和地方经济社会发展，为新型防护工程材料、多功能结构体系及应急抢建技术提供理论支撑和关键技术保障。

2.研究方向

 (一) 研究方向一：高性能特种防护材料

防护工程材料是防护工程设计和建造的基础。随着现代战争中新型打击方式的不断更新迭代，打击的精准度和强度不断提升。常规武器的打击多通过侵彻、内爆等局部效应造成杀伤，对防护材料的性能要求提高。基于这一需求，该方向主要通过防护工程高性能特种新材料的研发，实现防护材料的增强、增韧和多功能化。将主要聚焦水泥基材料的增强增韧及电磁赋能等方面的科技攻关，采用微/细/宏观跨尺度研究方法和功能组分调控技术，提出高性能特种防护材料的设计理论与方法。

 (二) 研究方向二：结构多灾害韧性技术

防护工程结构在服役期间将不可避免地遭受环境荷载作用与多灾害作用。然而，传统工程结构设计通常基于单一灾害假设，忽略了环境作用、地震、火灾、爆炸冲击等多种灾害并发或继发耦合作用对结构抗灾性能的综合影响。多灾害耦合作用将导致结构呈现强非线性受力状态，使得结构的破坏模式更加复杂，这时简单的叠加原理将不再适用。基于这一现状，该方向针对多灾害耦合作用下防护工程结构力学响应及快速修复技术开展研究。基于潜在的灾害组合，构建荷载组合模型，探究不同荷载的耦合作用机制；研究结构在不同灾害组合下的动力响应、破坏模式和失效机理，并对不同灾害组合下结构的残余力学性能及可修复性进行评估；在此基础上，针对不同破坏特征及损伤程度，建立完整的受损结构快速修复技术体系。

 (三) 研究方向三：多功能防护结构与抢建技术

为保障我方人员与装备安全，需在最短时间内提供充足的防护能力，其中涵盖快速构建高抗力结构的能力。针对这一需求，该方向将研发的高抗力材料、多功能材料等特种材料进行合理组合搭配，设计高抗力组合防护结构。借助先进的数字孪生技术和智能工厂系统，实现特种材料模块制造的工业化、数字化和智能化。利用快速拼装技术和智能化施工装备，缩短建造周期，提高施工效率和精度，实现高抗力组合防护结构的快速建造。基于多功能新型组合防护结构在抗侵彻、抗爆、电磁屏蔽等多方面的性能特点，对快速建造的组合防护结构的抗打击能力全面评价，基于评估结果对模块化建造的组合防护结构进行优化设计。

图1 研究方向

4.代表性成果

 (一) 成果名称：混凝土高应变率力学行为影响机制

针对混凝土材料的真实动力行为，证实了冲击试验中，混凝土试件高速变形所引发的惯性与端面摩擦等结构性约束效应对试验核心区域形成等效围压（最高达80-120MPa），强烈抑制了微裂纹的生成与扩展，导致测得的动力抗压强度与韧性出现非材料固有属性的异常提升，严重高估材料的真实动态性能。创造性地通过基于细观尺度的高精度细观数值仿真手段，揭示了结构效应导致的强三维非均匀应力场机制。通过建立“试验响应-数值解析”的闭环映射关系，反向剥离惯性约束、端面摩擦约束与应变率效应的耦合作用，提出了结构效应解耦方法，建立了基于细观损伤演化的混凝土动态本构关系重构新范式。实现了从动力试验伪数据到材料真实动态响应的跨越，解决了混凝土材料动力强度“凡测不准”的历史难题，为结构在冲击/爆炸等强动力荷载作用下的精确分析与设计提供了重要理论基础。

 (二) 成果名称：地聚物混凝土帆布材料优化、螺钉连接和应急应用研究

围绕柔性速硬复合材料在应急通行与防护中的应用，系统开展了材料、结构与力学机理研究，对于提升复杂环境下工程快速构筑与防护能力具有重要意义。通过发展快硬早强地聚物材料体系及建立车-毯-土协同作用模型，为低承载力地基条件下的通行安全评估与工程设计提供了理论依据；同时，针对混凝土帆布结构的连接性能与抗爆响应开展研究，为轻量化应急防护结构的设计与评价提供了方法支撑。本研究成果可应用于复杂地形条件下的应急道路铺设、临时工程构筑及快速防护等场景，并可拓展至灾害应急抢险与特殊地基工程领域，具有良好的工程应用价值与推广前景。

 (三) 成果名称：超高强韧混凝土制备技术及其抗侵爆机理

开展了超高强韧渗浇混凝土（UHSTC）的研发制备、静动多轴力学特性、本构模型及抗侵彻爆炸性能的系统研究，提出了预置钢纤维空间骨架后渗浇超高强基体的新思路，发明了自然堆积状态下钢纤维空间分布大范围调控的新方法，开辟了突破传统UHPC钢纤维掺量限制的技术路线 ，研制了具有超高钢纤维掺量（最高达10%）的超高强韧混凝土（UHSTC）新材料，国际上率先突破了水泥基材料超高强度与超高韧性无法协同提升的指标瓶颈，显著提升了防护工程结构在接触爆炸和高速侵彻等极端工况下的生存抗毁能力；与此前水平相比，极限抗压强度提升了100%（即达到常规UHPC的2倍），断裂能提升了500%（即达到常规UHPC的6倍），抗侵彻性能提升了约30%。UHSTC材料的研发对于引领高技术武器防护结构技术发展具有重要意义，突破了传统大体积混凝土主要依赖“厚度堆叠”的被动防御局限，为深地复杂防护工程与关键指挥节点提供了坚实的技术储备。其卓越的抗接触爆炸及侵彻性能，在军事遮弹层设计与高价值目标防御体系上有重大应用前景。

 (四) 成果名称：建筑结构抗爆韧性提升技术

开展了建筑结构抗爆韧性提升技术研究。通过材料组成优化、凝结时间调控和纤维增韧设计，研发了快凝早强超高韧性复合修复材料；通过材料流变-喷射技术-施工需求的协调设计，提出了定制化的快速喷射工艺，实现了受损结构功能的快速恢复及重要目标的防护能力的快速提升。为构筑更安全、更具韧性的基础设施防护体系提供了科学依据和技术支撑；早期强度提升速率较传统水泥基材料的增加20倍，抗压强度为30-60 MPa，拉伸强度为3-7 MPa，极限拉伸应变大于3%，韧性是传统混凝土的50倍以上，材料泵送压力比传统混凝土或纤维混凝土小50%以上，回弹率减小90%以上；加固后结构的抗爆性能提升140%以上；修复后结构的抗爆性能至少可恢复至爆炸前水平；与现有基于喷涂聚脲的抗爆韧性提升技术相比，成本降低90%以上，效率提升20%。该技术不仅为建筑结构的抗爆韧性提升提供了创新方案，还在构建韧性安全城市、提升应对城市灾害风险能力方面具有重要意义。通过强化建筑与基础设施的抗灾能力，该技术有助于缩短建筑功能恢复周期，完善城市安全保障体系，有利于推动社会经济的稳定发展。

5.实验室学术委员会

实验室学术委员会是实验室的科学技术指导和政策咨询机构。学术委员会由知名大学和著名企业的建筑领域相关专家组成。

学术委员会的主要职责是：①对实验室的工作计划、研发项目方案的确定提出咨询意见；②对研发项目的管理、经费的使用、研发人员的配备等提出咨询意见；③受委托对研发项目实施监督、评估，提出咨询意见；④宏观指导实验室的发展和技术研发活动，组织协调相关资源支持研究中心的工作，协助解决影响制约研究中心发展的有关问题。

表1 学术委员会名单

6.实验室近期发展规划

（一）科研内容

（1）高性能特种防护材料方面，继续推进强-韧共生及其功能协同的相关研究，探究材料组分等影响，完成材料的设计及高效制备。

（2）结构多灾害韧性技术方面，继续研究多灾害耦合作用机制，为多灾害耦合作用下结构破坏行为分析提供基础。

（3）多功能防护结构与抢建技术方面，继续进行高抗力组合防护结构设计研究，将研发的高抗力材料、多功能材料等特种材料进行合理组合搭配，研发高抗力组合防护结构。

（二）科研条件建设

进一步整合现有的平台，主导搭建河北工业大学防护工程实验室，实验室第一批试验设备包含激波管（爆炸冲击波模拟系统）、一级轻气炮（弹丸侵彻模拟系统）、霍普金森杆（动态力学测试系统）和INSTRON高速动力加载系统安装就位，配置的数据采集设备包含高速摄像机、VIC-3D全场应变测试系统和高速信号采集系统等正常使用。

（三）科研成果

获批国家级项目3~5项，发表高水平论文不少于50篇，授权发明专利不少于10件，培养研究生不少于90名。