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混凝土界神秘材料讓港珠澳大橋更“長壽”

澳門大學教授李宗津

    如何提升混凝土的抗拉强度和韧性,一直是澳门大学应用物理与材料工程研究所教授、混凝土专家李宗津“死磕”的话题。日前,在广州科技活动周S E LF+G uangzhou格致论道暨两岸及港澳地区科技创新论坛中,李宗津教授揭秘混凝土界的黑金———纳米材料,是如何让混凝土变得“长寿”。李宗津介绍,通过该技术研发的增韧外加剂,已经实际应用到港珠澳大桥和泰州长江大桥等国家大型基础工程上。
    中國混凝土總體用量
    占到了全世界的50%
    李宗津1978年考入浙江大學土木系,從此與混凝土結緣。赴美留學,他師從世界上最有名的混凝土大師學習,畢業後到香港科技大學任教。他笑稱,“開始了我跟混凝土死磕的學術生涯。”李宗津介紹,傳統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,把一盤散沙聯結在一起,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、能源和環境産生了巨大的影響。”混凝土使用廣泛,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,裂縫還會導致有害介質、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産安全造成巨大隱患。
    摻入有機聚合物
    有效提高混凝土抗拉強度
    隨著時間推移、技術發展,混凝土的成分也在不斷增加。李宗津介紹,現代混凝土大多數增加了礦物摻合料和化學外加劑這兩種組份,這使得混凝土的膠凝組分更加複雜,性能也有很大的不同。現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,但是傳統混凝土具有的抗拉能力弱、易裂縫的缺點,加入新組分的現代混凝土依然無法解決,甚至表現得更突出了。爲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研究項目啓動,李宗津出任該項目的首席科學家。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構的問題。原來,混凝土水化産物-矽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構的一些本質現象遞推到我們龐然大物的混凝土結構當中,我們就可以非常科學地解決混凝土的性能和結構問題。”帶著這個想法,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構,通過改善納米材料結構,達到改進宏觀力學性能的效果。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,使它在我們矽酸鹽凝膠形成一個網絡,有效提高混凝土的抗拉強度。”
    相關研究成果
    已應用到港珠澳大橋
    李宗津團隊的實驗成功了。該材料已經直接應用到了港珠澳大橋和泰州長江大橋等大型重點基礎工程中,有效改善混凝土薄壁構件的開裂問題。他介紹,該材料主要是應用在港珠澳大橋的橋面板有負彎矩的部位。從實驗室研發成功,到實際投入應用,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用的實驗成果,李宗津透露,除了增韌外加劑,團隊也開發了一些其他的多功能、耐久性增強外加劑,應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了泡沫混凝土。他現場提到一個有趣的細節:澳門大學前校長趙偉曾嘗試要用他的身體把泡沫混凝土給壓垮,結果以失敗告終,“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爲頂尖的。他的團隊還將這種水凝膠的單體加入水泥基材料。“對比沒有加(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難題後,李宗津和團隊現在工作的重點和方向是什麽?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,如何在多種應用場景下,提高混凝土的整體使用壽命,成爲當下他和團隊的主要研究課題。其中,首要解決的依然是優化提高混凝土的抗折強度。李宗津和團隊的思路是,“進一步優化提高混凝土抗折強度措施,利用有機與無機交混的納米複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用轉化時,一口氣提到了不少:“進一步優化高性能水凝膠,並開發該材料在功能器件和生物材料中的應用;另外一個工作重點就是大力推廣團隊開發的新型液浮式垂直軸風機。”談到未來對相關合作的展望和願景,除了具體的實驗和應用項目外,李宗津還特別提到,希望未來在混凝土3D遠景打印,做到兼顧複雜結構的同時,能美麗和藝術感兼具。
    揭秘
    降低地铁噪音 全天候监测轨道健康
    李宗津和团队的研究成果和成果的实际应用,距离广州市民并不遥远。广州市民最熟悉的公共交通工具——— 广州地铁,就有两项和李宗津团队的合作成果。第一项是针对地铁内的噪声干扰,基于香港科技大学研发的通过共振体耗能屏蔽噪音的专利技术。李宗津团队和广州地铁、广州光机电研究所合作,通过3D打印技术,打印基体材料与共振体,实现地铁系统内降低噪音的作用。
    第二項也是利用廣州光機電研究所、香港科技大學開發的水泥基壓電傳感器及聲發射原理,制備軌道裂縫監測設備。據了解,該設備可以實時監測鐵軌裂縫或損傷,實現全自動24×7全天候軌道健康監測。當時正進入實驗應用階段。據介紹,該設備投入應用前,地鐵軌道監測主要以人工爲主,工作量大,效率難以保證。並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。比如說,軌道底的裂紋很難被肉眼發現。而這套設備的投入使用可以解決這些傳統人工監測的短板,讓地鐵軌道安全更上一層樓。



信息來源:中國混凝土網  2019年6月21日

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