开拓建筑材料革新的未来之路助力绿色低碳发展

时间：2022-03-25 作者：XLAN 来源：同花顺财经阅读：214844

大咖观点： 建筑物使用寿命的延长，对降低碳排放，推动可持续发展是非常重要的。

专家简介

刘加平

中国工程院院士

东南大学教授

江苏省土木建筑学会常务理事

国际绿色建筑联盟专家咨询委员会专家

刘加平院士长期致力于混凝土“收缩裂缝控制”“超高性能化”“流变性能调控”等领域的深入研究，以第一发明人获授权发明专利90余件，国际专利14件，中国专利银奖1件、优秀奖5件；获软件著作权11项；发表SCI/EI收录论文200余篇，出版专著1部，编制标准或规程22项。获全国创新争先奖、中国青年科技奖、国家技术发明奖二等奖、国家科技进步奖二等奖、全国“五一”劳动奖章、全国“杰出工程师奖”等荣誉。

混凝土是建设领域应用最广泛的材料之一，混凝土材料的革新和使用寿命的延长对于建筑领域碳减排具有重要意义。在您看来，混凝土材料面临着什么样的发展和机遇？

习近平总书记向全世界作出“碳达峰”“碳中和”的庄严承诺，为行业发展带来巨大机遇，同时也对材料领域技术革新带来了挑战。混凝土作为土木建筑行业不可或缺的基础性材料，其生产使用过程中，能源消耗量及二氧化碳排放量巨大。如何在土木建筑行业中进行混凝土材料革命，在双碳行动中具有重要地位，任务也非常艰巨。

目前，水泥工业发展进入瓶颈期。粉煤灰作为混凝土的基础材料之一，主要取材于火电发电厂的副产物。随着能源体系的转型，以煤炭为主的火电发电规模将大比例缩减，粉煤灰等材料供应量也将随之缩减。面对这样的现实情况，专业人员应该积极探索两个问题：第一，水泥作为基础建材，自身应当如何适应绿色发展趋势？是否应探索新胶凝材料体系的发展方向？其次，在建筑材料使用的过程中，从业人员该如何在不断提升人们生活水平的同时，减少对环境影响，积极响应低碳发展目标？

您多年来投身于混凝土“收缩裂缝控制”“超高性能化”两大核心领域，研究成果在港珠澳大桥、太湖隧道等110余项重大工程中得到应用，获得多项科技荣誉。是什么动力促使您矢志不移，二十年如一日地坚持下去？能结合相关项目给我们介绍下您在研究过程中不断克服核心技术难点的经历吗？

从三峡大坝到港珠澳大桥，再到江苏省内跨江、跨湖隧道等，每个项目的性质不同，挑战也各不相同。工程技术人员应善于将项目的核心需求转化为科学研究的内在动力，真正将科研成果应用到实际的建设中去。我们有幸生于一个伟大的时代，这个时代赋予科研人员极好的机遇。作为科研团队中的一份子，我们应勇担使命，以科技助推行业发展。

我认为，建筑物使用寿命的延长，对降低碳排放，推动可持续发展是非常重要的。建设隧道工程这类的大型工程项目，最大的隐患是开裂、渗漏。一旦出现裂缝，不仅需要耗费巨大的人力物力进行维修，还会导致安全隐患，影响使用寿命，造成严重后果。研究发现，在结构约束条件下收缩产生的应力，只要超过了当时的抗拉强度，就会导致开裂，从而造成渗漏。为解决这一重大难题，东南大学科研团队创造性地整合材料、结构、力学等优势专业，研究创建了水化、温湿度条件耦合作用下的理论计算模型。这一模型综合考虑了工程材料、施工方案、现场温湿度对不同结构部分的影响，将开裂风险定性内容定量化，将原本的温控计算，优化提升为混凝土抗裂性计算和设计。同时，针对混凝土从流态到固态不同阶段的收缩情况，研发了具有减少水分蒸发、膨胀补偿收缩、降低水化热、减少干燥收缩等系列功能的材料。这一研究成果在实际工程中得到了充分的检验。近期，苏锡常南部高速公路正式通车，大幅缩减了苏南各市间的交通时间，取得良好的社会反响。其中，无锡段中10.79公里长的全封闭太湖隧道，是国内最长的水下隧道，相关科技成果在项目中的运用，使得这一水下隧道，真正做到了滴水不漏。

您深耕于建筑材料领域多年，能不能请您谈谈对材料革新发展的建议？

在我看来，材料革新的未来之路应该表现在三个“新”。

一是“新体系”。混凝土材料要实现真正的低碳，其变革不仅在于混凝土本身，更要积极探索建立新的低碳材料体系。并且，要不断推进材料高性能化，推动新材料的发展进而推动建筑行业的变革。如果未来混凝土的抗拉强度能达到10个兆帕，甚至15个兆帕，建筑工程领域将迎来重大的变革。目前，我们正在积极推进新体系的建设，并着重研究材料和结构一体化发展，这是大势所趋，更是破解材料革新之题的关键。

二是“新方法”。混凝土配比设计研究多以试错法为主，成本较高，效率却低。下一步，科研人员可以通过高精度计算方法、智能模型等数字化手段，对混凝土这一多因素、多变量的材料进行更深入的研究；积极助力建立节约型社会，珍惜社会自然资源，做到“材尽其用”。也可以尝试根据实际建设需求，预估建设效果，通过反向设计，有针对性地选择合适的材料，实现可持续发展。

三是“新工艺”。高水平施工人员的缺失及工艺水平的落后，导致了施工效果参差不齐，项目质量不稳定。如何减少施工缺陷，让具有不同特质的施工材料在建设中展现出较高的性能，从而延长项目使用寿命？这需要不断探索新工艺。我们可以考虑通过3D打印技术、VB信息技术等，创新材料施工与养护工艺，培养更多高水平的施工人才，推动材料行业的重大革新。

如今，科技创新已经成为国际战略博弈的主要战场，这要求科技工作者勇担使命，积极创新，您对行业科技人员，尤其是青年科技人员，有哪些建议与期望？在您的心目中，期待看到一个怎样的行业未来呢？

作为行业技术人员，首先应树立对于土木建筑行业在基础设施建设领域的信心和自豪感；其次，要积极发扬创新精神，通过新型科技手段赋能行业；最后，要有持之以恒的定力和决心。科学发展、行业发展，过去需要、现在需要、将来依然需要人类的勤奋研究。科研结果往往是鼓舞人心的，但过程却十分枯燥。我们要有十年磨一剑的耐心与恒心，朝着目标坚持不懈地努力，才能在行业中有所成就。

国际绿色建筑联盟自成立以来一直致力于传播绿色建筑技术理念，倡导低碳生活生产方式，您对联盟在今后的相关工作有哪些建议意见呢？

国际绿建联盟将政府、专家、企业、高校等各方面的资源整合到一个平台，并在促进行业发展方面起到了积极的推动作用。对于未来联盟的发展，首先，应该思考如何借助目前的平台，加强国内外行业内的合作与交流。其次，要进一步推进高校科研院所和企业之间的对接，加强产、学、研、用之间的沟通与合作，提高社会认知度，这样才能让联盟的工作进一步往前推进，实现更大的价值。

刘加平院士团队部分项目展示

刘院士团队长期针对混凝土开裂导致渗漏，并加速混凝土劣化和钢筋锈蚀，严重影响工程的结构安全，缩短使用寿命的严峻现实；基于收缩开裂的机理，将材料性能与结构约束和环境温湿度相结合，创建了收缩开裂风险量化评估新方法，发明了抗裂功能材料，建立了收缩裂缝精准控制的技术体系。实现了开裂风险可计算、抗裂性能可设计、收缩裂缝可控制。成果成功应用于世界最长的跨海大桥——港珠澳大桥、全国最长的湖底隧道——太湖隧道等50多项重大工程，解决了极端干燥地区混凝土的塑性开裂，以及地下空间、隧道、长大结构等收缩开裂难题。

港珠澳大桥

太湖隧道

针对超高性能混凝土（UHPC）亟待解决的流动性差、养护工艺复杂和脆性大等难题，刘院士团队采用微观结构调控的思路，将理论与技术、材料与工艺相结合，从本源上提升性能；研发了免蒸养的含粗骨料UHPC，实现了高流变性、超高强度和超高韧性的统一，并大规模工程应用。成果应用于NH岛礁、南京长江五桥等20多项重大工程，解决了高温、强辐射等严酷条件下超高强大体积混凝土的技术难题，满足了重要设施的特殊防护需求；采用常规原材料及工艺制备超高性能混凝土，提升了工程抗力，突破了UHPC不使用粗骨料的国际惯例，拓展了应用领域。

南京长江五桥

针对现代混凝土流动性要求高、保持难、与超早强矛盾的问题，刘院士团队揭示了共聚物时空分布与混凝土流动度、粘度、稠度的构效关系，解决了机制砂、大掺量掺合料等复杂组分导致混凝土初始流动度不足，高温和长时间等严酷条件下混凝土流动度损失大等技术难题。成果应用于世界跨径最大的铁路钢管混凝土拱桥——拉林铁路藏木大桥、田湾核电二期等40余项重大工程，实现了严酷条件下混凝土的泵送施工、自密实成型，满足了复杂工况对混凝土流动性的特殊要求。