高性能混凝土—建設(shè)工程的千年大計(jì)

　　人們都希望自己是長(zhǎng)壽的，同時(shí)也希望自己居住的房屋、行走的道路、橋梁和看到的一切都是長(zhǎng)久的。我們正在為此努力工作。

　　人們也許沒有感覺到，我們是生活在混凝土的世界里。觀察一下周圍，無論是道路、橋梁、大壩、港口，還是管道、房屋等，到處可以看到混凝土的身影，混凝土是用量最大的基本建筑材料之一，可以說混凝土無處不在。全世界有多少混凝土建筑物和構(gòu)筑物？我國(guó)有多少？可能沒有人說得清楚。然而，近年來我國(guó)新增的混凝土量是可以粗略統(tǒng)計(jì)的。我國(guó)每年投入兩萬億元用于基本建設(shè)，其中大部分是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。按照水泥產(chǎn)量推算，每年有約20億立方米的混凝土用于工程建設(shè)，任何一個(gè)轟轟烈烈的建設(shè)工地，混凝土都是主角。

　　看到如此多的混凝土建筑，人們也可能不會(huì)去想，這座建筑的壽命還有多少年？然而，作為混凝土工程技術(shù)研究人員，對(duì)與混凝土有關(guān)的信息反應(yīng)是敏感的、迅速的，并且會(huì)深入思考、提出課題。特別是在承擔(dān)國(guó)家“九五”、“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目期間，項(xiàng)目組的成員似乎生活在混凝土的世界里，看到墻上的裂縫就會(huì)問：“這是不是堿—骨料反應(yīng)？”看到混凝土罐車開過，就會(huì)想，車?yán)镅b的應(yīng)該是高性能混凝土吧。三峽大壩高性能混凝土澆筑量一年就超過500萬立方米，使我們感到振奮；而一些橋梁倒塌、建筑物的破壞也使我們擔(dān)憂。聽說有重要工程啟動(dòng)，我們馬上積極聯(lián)系，爭(zhēng)取參與其中，把研究成果應(yīng)用進(jìn)去。能夠聯(lián)系到工程應(yīng)用單位，是我們最高興的事情，能到工地現(xiàn)場(chǎng)，是我們最開心的事情。我們的項(xiàng)目成果已在百余個(gè)工程中應(yīng)用。

　　建設(shè)的迫切需要 適時(shí)的正確引導(dǎo)

　　國(guó)際上高性能混凝土的研究始于20世紀(jì)90年代初。那時(shí)，國(guó)外發(fā)現(xiàn)大量建(構(gòu))筑工程因混凝土耐久性問題而喪失使用功能，造成巨額經(jīng)濟(jì)損失，全世界每年用于工程修復(fù)和重建的費(fèi)用高達(dá)數(shù)千億美元。發(fā)達(dá)國(guó)家紛紛開始投巨資開展研究一種以“提高混凝土的耐久性能”為主要核心的高性能混凝土技術(shù)，即大幅度提高混凝土抵抗各種侵蝕性氣體和液體腐蝕的能力。

　　90年代后，國(guó)家有關(guān)部門通過調(diào)研，敏銳地覺察到，我國(guó)正處在高速發(fā)展時(shí)期，每年的混凝土用量不斷增加，一批重點(diǎn)工程正在興建和籌劃，如長(zhǎng)江三峽水利樞紐工程、跨?？缃拇笮蜆蛄?、迅猛發(fā)展的高等級(jí)公路、國(guó)家高速鐵路網(wǎng)、大中型飛機(jī)場(chǎng)等，因此我國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家一樣存在著提高混凝土耐久性的重要性和迫切性，應(yīng)該未雨綢繆，果斷地投入資金，在國(guó)家層面上大力支持科研單位和高等院校在高性能混凝土領(lǐng)域進(jìn)行研究工作和工程應(yīng)用。

　　今日再回首，我們深深感到，這些研究項(xiàng)目雖然支持經(jīng)費(fèi)有限，但對(duì)于引導(dǎo)高性能混凝土發(fā)展和應(yīng)用具有重大和深遠(yuǎn)的意義。特別是在“九五”和“十五”連續(xù)的國(guó)家重大科技攻關(guān)項(xiàng)目中，由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院牽頭組織了國(guó)內(nèi)幾十個(gè)科研單位、高等院校的一大批專家進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。經(jīng)過10多年的艱苦努力，解決了許多技術(shù)難題，取得了大量具有國(guó)際先進(jìn)水平的研究成果，形成具有我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能混凝土技術(shù)，并在近百個(gè)工程中應(yīng)用，至今仍在被大力推廣。項(xiàng)目取得的科技成果，在國(guó)內(nèi)外產(chǎn)生了較大影響，在指導(dǎo)我國(guó)重點(diǎn)和大型混凝土工程建設(shè)的同時(shí)，喚起了我國(guó)政府部門和工程界對(duì)混凝土耐久性問題的高度重視，統(tǒng)一了認(rèn)識(shí)，使混凝土工程從“以強(qiáng)度設(shè)計(jì)”為主轉(zhuǎn)變?yōu)椤耙阅途眯院蛷?qiáng)度設(shè)計(jì)”為主，加快了混凝土耐久性設(shè)計(jì)規(guī)范化的進(jìn)程。國(guó)家對(duì)這些科研項(xiàng)目的支持，也吸引和留住了一批科技人才致力于研究高性能混凝土技術(shù)，如今我國(guó)的高性能混凝土研究團(tuán)隊(duì)已經(jīng)成為國(guó)際該領(lǐng)域中最為活躍和碩果累累的團(tuán)隊(duì)。

　　艱苦的研究歷程 豐碩的研究成果

　　回想1996年，當(dāng)?shù)弥爸攸c(diǎn)工程混凝土安全性的研究”被列為國(guó)家“九五”科技攻關(guān)項(xiàng)目時(shí)，整個(gè)水泥混凝土行業(yè)都轟動(dòng)了。這是混凝土領(lǐng)域第一個(gè)國(guó)家攻關(guān)項(xiàng)目,多少老混凝土科技工作者為之感慨，國(guó)家重視混凝土材料的研究了！承擔(dān)項(xiàng)目組織工作的中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院也感到了神圣的責(zé)任和壓力。

　　在隨后的5年里，在國(guó)家有關(guān)部門的領(lǐng)導(dǎo)下，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院牽頭組織南京化工大學(xué)、中國(guó)水利水電科學(xué)研究院、武漢理工大學(xué)、北京科技大學(xué)、中國(guó)建筑科學(xué)研究院、同濟(jì)大學(xué)、蘇州混凝土水泥制品研究院、清華大學(xué)等國(guó)內(nèi)相關(guān)科研院所和大學(xué)，開展跨部門、跨行業(yè)的聯(lián)合攻關(guān)。圍繞高性能混凝土技術(shù)進(jìn)行了全面、系統(tǒng)、深入的研究，彌補(bǔ)我國(guó)在這方面的不足，解決了確保混凝土材料安全性的一系列關(guān)鍵科學(xué)技術(shù)問題，推動(dòng)了我國(guó)水泥混凝土材料學(xué)科技術(shù)水平的發(fā)展。

　　“十五”期間，混凝土耐久性的研究工作再次得到國(guó)家科技部的高度重視，設(shè)立了國(guó)家科技攻關(guān)項(xiàng)目“新型高性能混凝土及其耐久性的研究”，由中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院再次組織相關(guān)單位聯(lián)合攻關(guān)，在完善已有成果的基礎(chǔ)上，基于材料科學(xué)技術(shù)的最新發(fā)展和工程建設(shè)需要，針對(duì)新型高性能混凝土、高性能輕骨料混凝土集中力量開展研究。

　　在10多年的時(shí)間里，有上百人參加了這兩個(gè)項(xiàng)目的研究。項(xiàng)目的研究過程是艱難的?；炷聊途眯詫?shí)驗(yàn)大都是在高溫、高濕、化學(xué)腐蝕等特殊嚴(yán)酷實(shí)驗(yàn)條件下進(jìn)行的，混凝土工程施工現(xiàn)場(chǎng)的生活條件和工作條件很艱苦。為了保證研究設(shè)計(jì)的混凝土配制技術(shù)路線在工程中得以正確應(yīng)用，科研人員都深入到工程一線，確保了多個(gè)國(guó)家重點(diǎn)重大工程的質(zhì)量。那時(shí)，由于高性能混凝土還沒有普遍推廣，有的課題組為找一個(gè)實(shí)施點(diǎn)要聯(lián)系很多個(gè)工程，要做大量的說服工作。在困難面前大家沒有氣餒，而是堅(jiān)韌不拔，團(tuán)結(jié)合作，勇敢向前。

　　一位工程師為尋找典型的活性骨料做對(duì)比實(shí)驗(yàn)，翻山越嶺，走破了幾雙鞋；

　　一位教授為了完成防止鋼筋銹蝕的工程實(shí)施，在直不起腰的橋下連續(xù)工作幾個(gè)小時(shí)；

　　一位研究生去青藏鐵路取樣品，被風(fēng)雪困在唐古拉山，當(dāng)他在一個(gè)小站吃到一碗熱面時(shí)，他說：“這是我吃過的最好吃的面！”；

　　一位老教授不顧年長(zhǎng)，帶領(lǐng)自己的團(tuán)隊(duì)，冒著黑龍江深冬的冰雪嚴(yán)寒，在同三高等級(jí)公路上進(jìn)行混凝土路面的鹽凍實(shí)驗(yàn)；

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　　幾位工程技術(shù)人員用研制的修補(bǔ)劑為損壞的軍港碼頭做修補(bǔ)，險(xiǎn)些被漲起的潮水困住，但當(dāng)看到潮水退去，剛修補(bǔ)過的地方修補(bǔ)劑依然還在時(shí)，他們露出了笑容；

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　　一次次艱苦的實(shí)驗(yàn)，一場(chǎng)場(chǎng)激烈的研討，一夜夜燈下奮筆，一個(gè)個(gè)大型工程的應(yīng)用……至今都是大家難忘而美好的回憶。

　　功夫不負(fù)有心人。經(jīng)過10多年的辛勤積累，上百名科技工作者的汗水和智慧結(jié)晶出了我國(guó)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的高性能混凝土技術(shù)，形成了大量高水平的技術(shù)和產(chǎn)品，我國(guó)在新型膠凝材料研制、中等強(qiáng)度等級(jí)高性能混凝土配制、新型混凝土外加劑生產(chǎn)技術(shù)、應(yīng)力狀態(tài)下混凝土耐久性能的研究等方面都居于國(guó)際先進(jìn)水平。通過系統(tǒng)的科研工作，我們闡明了高性能混凝土原材料選擇的依據(jù)，提出了許多新的實(shí)驗(yàn)方法，研發(fā)了系列新材料，還建立了一批科學(xué)實(shí)驗(yàn)的研究基地和穩(wěn)定的原料基地，很好地滿足了我國(guó)各行業(yè)對(duì)高性能混凝土的需要。項(xiàng)目研究成果使原來無從控制的混凝土耐久性有了明確的技術(shù)要求和控制措施，有力地推動(dòng)了我國(guó)混凝土技術(shù)的進(jìn)步。

　　汗水耕耘，終有所獲。2004年，“混凝土耐久性關(guān)鍵技術(shù)研究及工程應(yīng)用”獲得國(guó)家科技進(jìn)步二等獎(jiǎng)，高性能混凝土技術(shù)也成為原建設(shè)部建筑新技術(shù)促進(jìn)應(yīng)用辦公室向全國(guó)建筑業(yè)推廣的10項(xiàng)新技術(shù)之一。

　　成果的迅速轉(zhuǎn)化 大量的工程應(yīng)用

　　對(duì)高性能混凝土技術(shù)的系統(tǒng)研究，為我國(guó)重點(diǎn)工程提供了一批新理論、新技術(shù)、新成果，同時(shí)，還參考研究成果制定了多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、方法和技術(shù)條件。在科研項(xiàng)目的研究過程中和項(xiàng)目完成后，我們堅(jiān)持既重視理論研究，又重視加快成果轉(zhuǎn)化的原則，在完成國(guó)家科技項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，為三峽工程、青藏鐵路、南水北調(diào)、田灣核電站、首都機(jī)場(chǎng)新航站樓、向家壩水電站、三門核電工程、南京地下鐵道工程、渝懷鐵路重慶嘉陵大橋、武漢長(zhǎng)江一橋、武漢長(zhǎng)江二橋等100多個(gè)工程的建設(shè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持。項(xiàng)目的直接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)兩億元，間接經(jīng)濟(jì)效益達(dá)數(shù)百億元。僅舉兩例：

　　1.高性能混凝土技術(shù)解決了青藏鐵路工程混凝土堿—骨料反應(yīng)安全性難題。

　　青藏鐵路工程在施工沿線選用砂、石，不可避免地使用了某些存在潛在堿活性的骨料，工程采取了一些抑制堿—骨料反應(yīng)措施，如：限制混凝土的堿含量、摻加抑制堿—骨料反應(yīng)作用的專用外加劑等。但是，如果該抑制措施無效，就可能發(fā)生混凝土“癌癥”，引起整個(gè)混凝土結(jié)構(gòu)的破壞。因此，準(zhǔn)確鑒別已經(jīng)使用的砂、石骨料的堿活性程度，并準(zhǔn)確判斷采取抑制措施的可靠程度成為整個(gè)工程驗(yàn)收前必須闡明的問題。

　　這兩個(gè)問題都是世界性難題，沒有確定的實(shí)驗(yàn)方法和標(biāo)準(zhǔn)。受青藏鐵路總指揮部的委托，中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院、南京工業(yè)大學(xué)的技術(shù)人員利用“九五”和“十五”攻關(guān)取得的堿—骨料反應(yīng)方面豐碩的研究成果，為青藏鐵路指揮部解決了這個(gè)難題。技術(shù)人員首先在高原缺氧、嚴(yán)寒和強(qiáng)烈紫外線的惡劣環(huán)境下，采集了從格爾木到拉薩青藏鐵路建設(shè)使用的全部79個(gè)骨料樣本，采用骨料堿活性綜合判定法，經(jīng)過大量試驗(yàn)和分析，準(zhǔn)確完成了青藏鐵路骨料堿活性普查工作，證實(shí)青藏鐵路所用骨料中沒有蛋白石等高活性成分，只有少量的次活性成分玉髓、微晶質(zhì)至隱晶質(zhì)石英、波狀消光石英等組分。隨后，又利用攻關(guān)項(xiàng)目取得的國(guó)際先進(jìn)成果，完成了《青藏鐵路混凝土摻合料抑制堿-硅酸反應(yīng)效能評(píng)估方法》。該方法按實(shí)際工程配合比，進(jìn)行小混凝土柱的快速實(shí)驗(yàn)。用這種方法評(píng)估后證實(shí)，青藏鐵路工程采取的摻合料抑制堿—骨料反應(yīng)的措施是有效的，工程發(fā)生高活性堿—骨料反應(yīng)破壞的可能性基本沒有，總體堿—骨料反應(yīng)安全性是可以放心的。

　　2.高早強(qiáng)抗裂高性能混凝土技術(shù)不斷延伸特殊鑿井的深度。

　　凍結(jié)法是煤炭行業(yè)特殊鑿井的一種主要施工技術(shù)，凍結(jié)深度是凍結(jié)法鑿井難易程度的一個(gè)重要標(biāo)志。根據(jù)凍結(jié)段井壁結(jié)構(gòu)和施工特點(diǎn)，深井必須選用高強(qiáng)度等級(jí)混凝土，以減小井壁厚度，增強(qiáng)外層井壁抵抗凍結(jié)壓力和井壁整體抵抗外力的能力。煤炭行業(yè)混凝土施工的傳統(tǒng)方法水泥用量大，混凝土易收縮開裂，且價(jià)格較高，限制了煤礦建井深度。中國(guó)建筑材料科學(xué)研究總院通過大量實(shí)踐，研發(fā)了J851早強(qiáng)減水劑（外層井壁用）和JQ防裂密實(shí)劑(內(nèi)層井壁選用)兩種新型混凝土外加劑，推出了深井井壁高性能混凝土技術(shù)。這種新技術(shù)降低了溫度應(yīng)力引起的開裂，提高了工程壽命；混凝土的流動(dòng)性好，施工速度大大加快；混凝土的單方成本下降一半以上，這些優(yōu)點(diǎn)使礦井的安全使用年限有了技術(shù)保證，得到了煤礦行業(yè)的認(rèn)可。從2000年開始，采用高性能混凝土新技術(shù)建設(shè)了10口深井，最深的井達(dá)到了600米以上，混凝土強(qiáng)度達(dá)到C100。依靠我們團(tuán)隊(duì)的艱苦努力，不斷刷新凍結(jié)法鑿井井深的世界紀(jì)錄，創(chuàng)造著世界建井史上的一個(gè)個(gè)奇跡。

　　“九五”、“十五”科技攻關(guān)項(xiàng)目的完成，得到了行業(yè)的院士、老專家的指導(dǎo)和支持，我們的機(jī)遇也讓他們羨慕。有位老混凝土專家感慨地說：“你們這批科技工作者生活在一個(gè)好的年代———國(guó)家大規(guī)?；窘ㄔO(shè)要持續(xù)20年，你們可以大有作為。20年后大量建筑物又要維修和重建，你們又可以大干20年。”前者，我們感到天地廣闊，責(zé)任重大，但后者如果成為現(xiàn)實(shí)，我們會(huì)羞愧無比。我們要讓我們親手建設(shè)的工程壽命達(dá)到百年、千年，成為支撐國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)。

　　今天，高性能混凝土已經(jīng)在大城市的建筑領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，這與我們?cè)?0世紀(jì)90年代率先開始進(jìn)行的高性能混凝土理論研究和工程實(shí)踐是密不可分的。目前，我們一方面密切關(guān)注高性能混凝土的發(fā)展和國(guó)家重大工程的需求，繼續(xù)深入研究混凝土耐久性的新技術(shù)和新材料。另一方面，高性能混凝土的科研成果也在公路、鐵路、水工和核電等行業(yè)大力推廣，為工程的“長(zhǎng)壽”提供了技術(shù)支持。一直關(guān)注高性能混凝土技術(shù)研究進(jìn)展的中國(guó)工程院院士唐明述教授寄語我們：“我希望年輕一代的科技人員繼續(xù)創(chuàng)新，帶動(dòng)高性能混凝土的深入研究和廣泛應(yīng)用，把我國(guó)重點(diǎn)工程壽命延長(zhǎng)到百年以上，造福子孫后代。