澳門大學(xué)教授李宗津
如何提升混凝土的抗拉強度和韌性，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)實際應(yīng)用到港珠澳大橋和泰州長江大橋等國家大型基礎(chǔ)工程上。
中國混凝土總體用量
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，就形成了堅固的混凝土。國家大型基建工程，離不開對混凝土的大量使用。
李宗津介紹，中國混凝土的總體用量，占到了世界上混凝土用量的50%。“這對整個的國民經(jīng)濟造成了非常重大的影響，同時也對我們國家資源、能源和環(huán)境產(chǎn)生了巨大的影響?！被炷潦褂脧V泛，但同時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度的十分之一到五十分之一。抗拉強度比較低、脆性大，造成的一個直接危害就是容易開裂。除了不美觀外，裂縫還會導(dǎo)致有害介質(zhì)、有害氣體進入混凝土，直接影響混泥土的耐久性和使用壽命，嚴重的時候甚至可能對人身和財產(chǎn)安全造成巨大隱患。
摻入有機聚合物
有效提高混凝土抗拉強度
隨著時間推移、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)代混凝土有兩個典型代表，具備高流動性的自流平混凝土和具有極強抗壓強度的超高強混凝土，但是傳統(tǒng)混凝土具有的抗拉能力弱、易裂縫的缺點，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，中國首個混凝土材料973研究項目啟動，李宗津出任該項目的首席科學(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-硅酸鈣凝膠的實際尺寸其實是在納米尺度的，“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)當中，我們就可以非常科學(xué)地解決混凝土的性能和結(jié)構(gòu)問題?！睅е@個想法，李宗津和團隊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)，達到改進宏觀力學(xué)性能的效果。他舉例，“我們做的第一個工作就是想辦法提高混凝土的抗拉強度，我們在混凝土當中摻入有機聚合物，使它在我們硅酸鹽凝膠形成一個網(wǎng)絡(luò)，有效提高混凝土的抗拉強度?！?
相關(guān)研究成果
已應(yīng)用到港珠澳大橋
李宗津團隊的實驗成功了。該材料已經(jīng)直接應(yīng)用到了港珠澳大橋和泰州長江大橋等大型重點基礎(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彎矩的部位。從實驗室研發(fā)成功，到實際投入應(yīng)用，李宗津和團隊花了僅僅兩年的時間。這也不是他們唯一已投入實際應(yīng)用的實驗成果，李宗津透露，除了增韌外加劑，團隊也開發(fā)了一些其他的多功能、耐久性增強外加劑，應(yīng)用在其他的重大工程上面。
除了增強抗拉性和韌性的混凝土，李宗津和團隊還研發(fā)了泡沫混凝土。他現(xiàn)場提到一個有趣的細節(jié)：澳門大學(xué)前校長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度之高，可謂‘堅不可摧’”。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，其研究團隊的成果是世界上最為頂尖的。他的團隊還將這種水凝膠的單體加入水泥基材料?！皩Ρ葲]有加(納米改善水凝膠)的，其抗彎強度可以提高近4倍，這是一個比較大的進步?！?
延長混凝土服役壽命
是未來課題研究的方向
在解決多項混凝土短板的技術(shù)難題后，李宗津和團隊現(xiàn)在工作的重點和方向是什么？未來的混凝土能徹底擺脫抗拉強度差、易裂縫的短板嗎？李宗津介紹，如何在多種應(yīng)用場景下，提高混凝土的整體使用壽命，成為當下他和團隊的主要研究課題。其中，首要解決的依然是優(yōu)化提高混凝土的抗折強度。李宗津和團隊的思路是，“進一步優(yōu)化提高混凝土抗折強度措施，利用有機與無機交混的納米復(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，進而提高混凝土耐久性，延長混凝土服役壽命。”
除了繼續(xù)努力提高混凝土整體使用壽命，李宗津談到目前團隊實驗成果的實際應(yīng)用轉(zhuǎn)化時，一口氣提到了不少：“進一步優(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；另外一個工作重點就是大力推廣團隊開發(fā)的新型液浮式垂直軸風(fēng)機?！闭劦轿磥韺ο嚓P(guān)合作的展望和愿景，除了具體的實驗和應(yīng)用項目外，李宗津還特別提到，希望未來在混凝土3D遠景打印，做到兼顧復(fù)雜結(jié)構(gòu)的同時，能美麗和藝術(shù)感兼具。
揭秘
降低地鐵噪音 全天候監(jiān)測軌道健康
李宗津和團隊的研究成果和成果的實際應(yīng)用，距離廣州市民并不遙遠。廣州市民最熟悉的公共交通工具——— 廣州地鐵，就有兩項和李宗津團隊的合作成果。第一項是針對地鐵內(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)。李宗津團隊和廣州地鐵、廣州光機電研究所合作，通過3D打印技術(shù)，打印基體材料與共振體，實現(xiàn)地鐵系統(tǒng)內(nèi)降低噪音的作用。
第二項也是利用廣州光機電研究所、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)測設(shè)備。據(jù)了解，該設(shè)備可以實時監(jiān)測鐵軌裂縫或損傷，實現(xiàn)全自動24×7全天候軌道健康監(jiān)測。當時正進入實驗應(yīng)用階段。據(jù)介紹，該設(shè)備投入應(yīng)用前，地鐵軌道監(jiān)測主要以人工為主，工作量大，效率難以保證。并且以往的探測方式對螺栓孔周圍的微小損傷難以探測，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)測的短板，讓地鐵軌道安全更上一層樓。
