澳門大學(xué)教授李宗津
如何提升混凝土的抗拉強(qiáng)度和韌性，一直是澳門大學(xué)應(yīng)用物理與材料工程研究所教授、混凝土專家李宗津“死磕”的話題。日前，在廣州科技活動(dòng)周S E LF+G uangzhou格致論道暨兩岸及港澳地區(qū)科技創(chuàng)新論壇中，李宗津教授揭秘混凝土界的黑金———納米材料，是如何讓混凝土變得“長(zhǎng)壽”。李宗津介紹，通過該技術(shù)研發(fā)的增韌外加劑，已經(jīng)實(shí)際應(yīng)用到港珠澳大橋和泰州長(zhǎng)江大橋等國(guó)家大型基礎(chǔ)工程上。
中國(guó)混凝土總體用量
占到了全世界的50%
李宗津1978年考入浙江大學(xué)土木系，從此與混凝土結(jié)緣。赴美留學(xué)，他師從世界上最有名的混凝土大師學(xué)習(xí)，畢業(yè)后到香港科技大學(xué)任教。他笑稱，“開始了我跟混凝土死磕的學(xué)術(shù)生涯?！崩钭诮蚪榻B，傳統(tǒng)的混凝土主要由水泥、沙和水、粗骨料組成，由于水泥和水的水化作用形成了膠凝材料，把一盤散沙聯(lián)結(jié)在一起，就形成了堅(jiān)固的混凝土。國(guó)家大型基建工程，離不開對(duì)混凝土的大量使用。
李宗津介紹，中國(guó)混凝土的總體用量，占到了世界上混凝土用量的50%?！斑@對(duì)整個(gè)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成了非常重大的影響，同時(shí)也對(duì)我們國(guó)家資源、能源和環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響。”混凝土使用廣泛，但同時(shí)也有抗拉能力較弱的短板。李宗津解釋，混凝土材料的抗壓性能特別高，但是抗拉性能只有它抗壓強(qiáng)度的十分之一到五十分之一。抗拉強(qiáng)度比較低、脆性大，造成的一個(gè)直接危害就是容易開裂。除了不美觀外，裂縫還會(huì)導(dǎo)致有害介質(zhì)、有害氣體進(jìn)入混凝土，直接影響混泥土的耐久性和使用壽命，嚴(yán)重的時(shí)候甚至可能對(duì)人身和財(cái)產(chǎn)安全造成巨大隱患。
摻入有機(jī)聚合物
有效提高混凝土抗拉強(qiáng)度
隨著時(shí)間推移、技術(shù)發(fā)展，混凝土的成分也在不斷增加。李宗津介紹，現(xiàn)代混凝土大多數(shù)增加了礦物摻合料和化學(xué)外加劑這兩種組份，這使得混凝土的膠凝組分更加復(fù)雜，性能也有很大的不同?，F(xiàn)代混凝土有兩個(gè)典型代表，具備高流動(dòng)性的自流平混凝土和具有極強(qiáng)抗壓強(qiáng)度的超高強(qiáng)混凝土，但是傳統(tǒng)混凝土具有的抗拉能力弱、易裂縫的缺點(diǎn)，加入新組分的現(xiàn)代混凝土依然無法解決，甚至表現(xiàn)得更突出了。為了解決混凝土抗拉能力弱的老問題，2009年，中國(guó)首個(gè)混凝土材料973研究項(xiàng)目啟動(dòng)，李宗津出任該項(xiàng)目的首席科學(xué)家。如何解決混凝土一直以來的“老大難”問題，增強(qiáng)抗拉能力？
李宗津的解題思路是，從納米尺度來觀察和解決混凝土材料結(jié)構(gòu)的問題。原來，混凝土水化產(chǎn)物-硅酸鈣凝膠的實(shí)際尺寸其實(shí)是在納米尺度的，“如果把在納米材料結(jié)構(gòu)的一些本質(zhì)現(xiàn)象遞推到我們龐然大物的混凝土結(jié)構(gòu)當(dāng)中，我們就可以非?？茖W(xué)地解決混凝土的性能和結(jié)構(gòu)問題?！睅е@個(gè)想法，李宗津和團(tuán)隊(duì)著手利用納米材料改善混凝土在納米尺度的材料結(jié)構(gòu)，通過改善納米材料結(jié)構(gòu)，達(dá)到改進(jìn)宏觀力學(xué)性能的效果。他舉例，“我們做的第一個(gè)工作就是想辦法提高混凝土的抗拉強(qiáng)度，我們?cè)诨炷廉?dāng)中摻入有機(jī)聚合物，使它在我們硅酸鹽凝膠形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，有效提高混凝土的抗拉強(qiáng)度?！?
相關(guān)研究成果
已應(yīng)用到港珠澳大橋
李宗津團(tuán)隊(duì)的實(shí)驗(yàn)成功了。該材料已經(jīng)直接應(yīng)用到了港珠澳大橋和泰州長(zhǎng)江大橋等大型重點(diǎn)基礎(chǔ)工程中，有效改善混凝土薄壁構(gòu)件的開裂問題。他介紹，該材料主要是應(yīng)用在港珠澳大橋的橋面板有負(fù)彎矩的部位。從實(shí)驗(yàn)室研發(fā)成功，到實(shí)際投入應(yīng)用，李宗津和團(tuán)隊(duì)花了僅僅兩年的時(shí)間。這也不是他們唯一已投入實(shí)際應(yīng)用的實(shí)驗(yàn)成果，李宗津透露，除了增韌外加劑，團(tuán)隊(duì)也開發(fā)了一些其他的多功能、耐久性增強(qiáng)外加劑，應(yīng)用在其他的重大工程上面。
除了增強(qiáng)抗拉性和韌性的混凝土，李宗津和團(tuán)隊(duì)還研發(fā)了泡沫混凝土。他現(xiàn)場(chǎng)提到一個(gè)有趣的細(xì)節(jié)：澳門大學(xué)前校長(zhǎng)趙偉曾嘗試要用他的身體把泡沫混凝土給壓垮，結(jié)果以失敗告終，“足見泡沫混凝土的強(qiáng)度之高，可謂‘堅(jiān)不可摧’”。李宗津介紹，通過水泥水化納米顆粒改善水凝膠的性能綜合指標(biāo)，其研究團(tuán)隊(duì)的成果是世界上最為頂尖的。他的團(tuán)隊(duì)還將這種水凝膠的單體加入水泥基材料?！皩?duì)比沒有加(納米改善水凝膠)的，其抗彎強(qiáng)度可以提高近4倍，這是一個(gè)比較大的進(jìn)步。”
延長(zhǎng)混凝土服役壽命
是未來課題研究的方向
在解決多項(xiàng)混凝土短板的技術(shù)難題后，李宗津和團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在工作的重點(diǎn)和方向是什么？未來的混凝土能徹底擺脫抗拉強(qiáng)度差、易裂縫的短板嗎？李宗津介紹，如何在多種應(yīng)用場(chǎng)景下，提高混凝土的整體使用壽命，成為當(dāng)下他和團(tuán)隊(duì)的主要研究課題。其中，首要解決的依然是優(yōu)化提高混凝土的抗折強(qiáng)度。李宗津和團(tuán)隊(duì)的思路是，“進(jìn)一步優(yōu)化提高混凝土抗折強(qiáng)度措施，利用有機(jī)與無機(jī)交混的納米復(fù)合材料控制混凝土水化過程的熱量釋放過程，以提高混凝土的抗裂能力，進(jìn)而提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)混凝土服役壽命。”
除了繼續(xù)努力提高混凝土整體使用壽命，李宗津談到目前團(tuán)隊(duì)實(shí)驗(yàn)成果的實(shí)際應(yīng)用轉(zhuǎn)化時(shí)，一口氣提到了不少：“進(jìn)一步優(yōu)化高性能水凝膠，并開發(fā)該材料在功能器件和生物材料中的應(yīng)用；另外一個(gè)工作重點(diǎn)就是大力推廣團(tuán)隊(duì)開發(fā)的新型液浮式垂直軸風(fēng)機(jī)?！闭劦轿磥韺?duì)相關(guān)合作的展望和愿景，除了具體的實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用項(xiàng)目外，李宗津還特別提到，希望未來在混凝土3D遠(yuǎn)景打印，做到兼顧復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時(shí)，能美麗和藝術(shù)感兼具。
揭秘
降低地鐵噪音 全天候監(jiān)測(cè)軌道健康
李宗津和團(tuán)隊(duì)的研究成果和成果的實(shí)際應(yīng)用，距離廣州市民并不遙遠(yuǎn)。廣州市民最熟悉的公共交通工具——— 廣州地鐵，就有兩項(xiàng)和李宗津團(tuán)隊(duì)的合作成果。第一項(xiàng)是針對(duì)地鐵內(nèi)的噪聲干擾，基于香港科技大學(xué)研發(fā)的通過共振體耗能屏蔽噪音的專利技術(shù)。李宗津團(tuán)隊(duì)和廣州地鐵、廣州光機(jī)電研究所合作，通過3D打印技術(shù)，打印基體材料與共振體，實(shí)現(xiàn)地鐵系統(tǒng)內(nèi)降低噪音的作用。
第二項(xiàng)也是利用廣州光機(jī)電研究所、香港科技大學(xué)開發(fā)的水泥基壓電傳感器及聲發(fā)射原理，制備軌道裂縫監(jiān)測(cè)設(shè)備。據(jù)了解，該設(shè)備可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)鐵軌裂縫或損傷，實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)24×7全天候軌道健康監(jiān)測(cè)。當(dāng)時(shí)正進(jìn)入實(shí)驗(yàn)應(yīng)用階段。據(jù)介紹，該設(shè)備投入應(yīng)用前，地鐵軌道監(jiān)測(cè)主要以人工為主，工作量大，效率難以保證。并且以往的探測(cè)方式對(duì)螺栓孔周圍的微小損傷難以探測(cè)，有較大的盲區(qū)。比如說，軌道底的裂紋很難被肉眼發(fā)現(xiàn)。而這套設(shè)備的投入使用可以解決這些傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)的短板，讓地鐵軌道安全更上一層樓。
