混凝土家族喜添2.0版高韌性混凝土新成員

　　提到混凝土，想必大家都不陌生：樓房、大壩、橋梁、港口、隧道，無論是尋常百姓的居住出行還是國家重大工程建設(shè)，都少不了它的參與。但與此同時(shí)，混凝土結(jié)構(gòu)頻頻出現(xiàn)的裂縫也令人心驚，不僅降低大型工程壽命，更多次引發(fā)重大安全事故。

　　這一條條裂縫，源自混凝土脆性大、易開裂的天然屬性。自19世紀(jì)混凝土發(fā)明以來，如何增韌控裂，研發(fā)2.0版本高韌性混凝土，為混凝土大家族增加一支新的高韌勁旅，成為困擾國內(nèi)外學(xué)術(shù)界和工程界的一大難題。

　　混凝土廣泛應(yīng)用于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，我國的用量更是高居世界第一。為了消除這條禍患之縫，浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院徐世烺教授帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)，二十多年來潛心鉆研，突破混凝土材料脆性易裂、界面薄弱易裂、結(jié)構(gòu)受拉開裂三大瓶頸，發(fā)明出高韌性纖維混凝土制備與應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，為基礎(chǔ)設(shè)施長期安全服役的國家重大需求貢獻(xiàn)出浙大智慧。項(xiàng)目獲得2018年國家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)。

　　源頭發(fā)力打造高韌材料

　　混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)裂縫了怎么辦？人們的習(xí)慣做法是盡快加固。但在徐世烺的眼中，裂縫有著自身的規(guī)律。1987年，他首次提出科學(xué)描述混凝土裂縫擴(kuò)展過程的雙K斷裂理論，不僅能夠指出什么情況下裂縫是安全的，什么時(shí)候必須修補(bǔ)，甚至能夠通過該理論指導(dǎo)材料配制或通過工程措施抑制裂縫發(fā)生和發(fā)展。在該理論的基礎(chǔ)上，徐世烺又進(jìn)一步建立起一套混凝土結(jié)構(gòu)增韌控裂技術(shù)新體系。

　　大壩崩潰、橋梁垮塌慘劇的發(fā)生，混凝土材料脆性易裂是源頭。提高混凝土韌性，成為徐世烺研究工作的首要著力點(diǎn)。

　　長期以來，業(yè)界常規(guī)使用的增韌方法是在混凝土中摻入一定體積率的纖維，但這種方法無法改變混凝土準(zhǔn)脆性的物理本質(zhì)，其抗拉變形和韌性的提高幅度有限。在雙K理論基礎(chǔ)上，徐世烺首先建立起考慮材料隨機(jī)特性的纖維增韌混凝土多縫開裂力學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了高韌性纖維混凝土性能的可控優(yōu)化設(shè)計(jì)，并依托力學(xué)模型，發(fā)明和制備了性能穩(wěn)定的高韌性纖維混凝土。

　　“我們的發(fā)明從材料性能方面徹底解決了混凝土強(qiáng)而不韌、脆性易裂的根本缺陷?！毙焓罒R介紹，發(fā)明的高強(qiáng)高韌性混凝土極限抗拉應(yīng)變最高可達(dá)8.4%，這個(gè)數(shù)值比普通混凝土高出800倍。與普通砂漿、混凝土脆性斷裂完全不同，高韌性混凝土具有優(yōu)異的韌性，最大裂縫寬度遠(yuǎn)小于0.1mm，完全滿足嚴(yán)酷條件下的耐腐蝕耐久性要求，為工程結(jié)構(gòu)安全服役提供了關(guān)鍵性材料保障。

　　項(xiàng)目對(duì)包括材料力學(xué)性能、耐久性能和結(jié)構(gòu)性能在內(nèi)的指標(biāo)進(jìn)行大規(guī)模系統(tǒng)性測(cè)試。結(jié)果顯示，所發(fā)明的高韌性纖維混凝土性能指標(biāo)遠(yuǎn)超國內(nèi)外同類材料。其中變形能力和強(qiáng)度綜合性指標(biāo)比國際最好的數(shù)據(jù)分別超出70%和60%。

　　此外，為配合施工需求，徐世烺還發(fā)明了新型濕法噴射施工的高韌性纖維混凝土材料及其噴射施工技術(shù)，研制出免振搗的自密實(shí)高韌性纖維混凝土，發(fā)明出的超高強(qiáng)砂漿基體制備方法，可以制備出不同等級(jí)的系列高強(qiáng)高韌纖維混凝土，突破了需要高壓蒸汽養(yǎng)護(hù)的工程技術(shù)瓶頸。

　　體系支撐實(shí)現(xiàn)全程控裂

　　大體積混凝土結(jié)構(gòu)經(jīng)常都會(huì)遇到長間歇分期澆筑、改建與擴(kuò)建、加固修復(fù)等情況，但混凝土結(jié)合面的缺陷會(huì)引起界面破壞，并危害結(jié)構(gòu)的服役質(zhì)量。另一方面，混凝土結(jié)構(gòu)在外力作用下極易產(chǎn)生裂縫，影響服役能力，在大體積混凝土澆筑過程中，水泥水化產(chǎn)生的內(nèi)部高溫與外部環(huán)境之間的溫差也極易造成裂縫。

　　針對(duì)現(xiàn)實(shí)需求，徐世烺帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)發(fā)明了界面抗裂性能提升技術(shù)與復(fù)合結(jié)構(gòu)控裂技術(shù)，保障整個(gè)生命周期安全服役。

　　團(tuán)隊(duì)發(fā)明的適用于結(jié)構(gòu)加固和大體積混凝土分層施工的低收縮、緩凝型、無機(jī)界面的粘結(jié)劑，解決了新老混凝土由于性能差異導(dǎo)致變形不協(xié)調(diào)而開裂的問題。測(cè)試分析報(bào)告顯示，使用這種界面劑粘結(jié)的混凝土，其粘結(jié)強(qiáng)度指標(biāo)居國際領(lǐng)先水平，與有機(jī)界面劑相比具有粘結(jié)性能更優(yōu)、無毒無異味、使用方便的特點(diǎn)。

　　同時(shí)，將大功率液壓盤踞切割與靜態(tài)爆破技術(shù)兩種拆除混凝土的方法結(jié)合，團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了可大大提升結(jié)合面咬合力和施工效率的人工鍵槽新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低成本。在南水北調(diào)丹江口大壩加高工程中，使用此項(xiàng)技術(shù)，工效比常規(guī)方法提高50%，成本降低30%，而質(zhì)量合格率達(dá)到100%。

　　此外，徐世烺還發(fā)明出界面裂縫擴(kuò)展路徑調(diào)控方法與不同材料界面剪切開裂的定向測(cè)試技術(shù)。通過優(yōu)化界面的合理粗糙度范圍，使界面裂縫偏折于高韌性纖維混凝土內(nèi)，從而有效延緩混凝土界面脫粘。在國際上首次發(fā)明出兩種不同材料界面剪切型開裂測(cè)試技術(shù)，可以科學(xué)判定不同界面處理方法對(duì)界面粘結(jié)性能的影響，為工程實(shí)踐中的新老混凝土界面處理技術(shù)提供了科學(xué)依據(jù)。

　　高韌性纖維混凝土的導(dǎo)熱系數(shù)僅為普通混凝土的1/4，抗裂防滲性能優(yōu)越?；诓牧媳旧韮?yōu)勢(shì)，徐世烺進(jìn)一步提出使用高韌性纖維混凝土制作保溫防滲永久模板，實(shí)現(xiàn)施工期安裝便捷、養(yǎng)護(hù)期保溫防裂、服役期控裂耐久。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)模板厚度大于75cm時(shí)，可以確保厚度20m的混凝土壩塊在越冬期間不會(huì)出現(xiàn)溫度裂縫。龍骨嵌扣式、螺栓鉆孔式、互扣式，團(tuán)隊(duì)還發(fā)明了多個(gè)系列連接結(jié)構(gòu)，建立了以承載力和最大裂縫寬度為控制條件的連接件最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，從而實(shí)現(xiàn)永久模板的快速裝配連接。

　　除了永久模板，團(tuán)隊(duì)發(fā)明的大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部冷卻通水系統(tǒng)，有效解決了大體積混凝土結(jié)構(gòu)內(nèi)部易開裂的問題，從而通過內(nèi)外雙重溫控，形成了高韌性纖維混凝土復(fù)合結(jié)構(gòu)控裂體系。

　　推廣利用改變行業(yè)面貌

　　千里之堤，潰于蟻穴。一條不起眼的裂縫也可以摧毀一項(xiàng)重大基礎(chǔ)設(shè)施。二十余年來，徐世烺帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)圍繞實(shí)際問題、克服重重困難，形成了具有自主科技產(chǎn)權(quán)和經(jīng)過工程驗(yàn)證的具有重大創(chuàng)新價(jià)值的技術(shù)體系，真正實(shí)現(xiàn)了混凝土裂縫的無害化。

　　與混凝土打了三十多年交道的徐世烺，為何會(huì)深耕這一研究方向？他說，這與時(shí)代背景緊密相連。1975年河南潰壩事件造成大量人員死傷，一年后發(fā)生的唐山大地震又奪去了24萬同胞的生命。接連發(fā)生的巨大災(zāi)難讓他的內(nèi)心久久不能平靜。1979年，湖南柘溪水電站出現(xiàn)大面積裂縫，嚴(yán)重威脅大壩安全。開始攻讀研究生的徐世烺聽到之后倍感震驚，決心為國內(nèi)剛剛起步的混凝土斷裂力學(xué)研究貢獻(xiàn)自己的一份力量。而時(shí)至今日，當(dāng)年那位將家國情懷烙在心底的青年依然在這條路上披荊斬棘、砥礪前行。

　　項(xiàng)目獲授權(quán)發(fā)明專利27項(xiàng)，軟件著作權(quán)5項(xiàng)。主要成果獲2014年教育部技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。在本領(lǐng)域頂級(jí)期刊CCR、CCC等發(fā)表SCI論文35篇；在國家一級(jí)學(xué)會(huì)刊物發(fā)表EI論文40篇；出版學(xué)術(shù)專著1部。

　　頂天立地做科研。徐世烺的研究成果不僅彌補(bǔ)了理論空白，更體現(xiàn)出巨大的實(shí)用價(jià)值。2011年，兩條高韌性纖維混凝土全自動(dòng)化生產(chǎn)線分別在杭州海外高層次創(chuàng)業(yè)園和常州建設(shè)部綠色建材基地建立，國際上首次實(shí)現(xiàn)高韌性纖維混凝土的規(guī)?；I(yè)化生產(chǎn)，為大型工程結(jié)構(gòu)安全服役提供了保障。

　　橋梁、隧道、港口、大壩等不同工程領(lǐng)域，重大基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、分期澆筑、改擴(kuò)建、修復(fù)加固工程等項(xiàng)目，項(xiàng)目都得到成功推廣應(yīng)用，并廣受好評(píng)。以上海吳淞軍港、浙江新嶺隧道、常山港特大橋、湖北丹江口大壩、四川金沙江向家壩等為代表，項(xiàng)目成果不斷向外輻射。據(jù)統(tǒng)計(jì)，近三年新增產(chǎn)值22.7億元，新增利潤2.1億元。

　　研究成果在節(jié)能減排方面也有顯著貢獻(xiàn)。使用高韌性纖維混凝土材料及相關(guān)技術(shù)可以減少甚至免除維修量，大幅度提高使用周期，從而有效降低水泥用量，減少二氧化碳排放。

　　“之前的研究主要是在抵抗自然災(zāi)害的范疇內(nèi)，但重大安全結(jié)構(gòu)的安全服役還面臨著恐怖襲擊、可能的戰(zhàn)爭(zhēng)等更嚴(yán)峻的威脅?！毙焓罒R說，團(tuán)隊(duì)已經(jīng)開始對(duì)高韌性纖維混凝土材料及其復(fù)合結(jié)構(gòu)的沖擊動(dòng)力性能開展探索研究，以期為我國重大工程結(jié)構(gòu)的安全服役提供新的科技成果支撐。