水泥基材料要變“高”還需闖過五關(guān)

　　節(jié)能與環(huán)保型高性能水泥基材料，其綠色的含義是通過有效利用大量工業(yè)廢渣來詮釋的。在影響生態(tài)環(huán)境的諸多因素中，水泥生產(chǎn)過程中廢氣的排放和工業(yè)廢渣的堆積均起著很大的負(fù)面作用。我國到2010年水泥年產(chǎn)量將達(dá)8億噸以上，生產(chǎn)過程中放出的大量CO 2對(duì)環(huán)境的損害已無法估計(jì)，目前，工業(yè)廢渣已累計(jì)堆放65億噸。因此，有效利用工業(yè)廢渣，節(jié)約水泥是一個(gè)重大科學(xué)技術(shù)問題。

　　據(jù)孫教授介紹，現(xiàn)在，綜合利用工業(yè)廢渣，節(jié)省土地、能源與資源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境已成共識(shí)，許多國家制備高性能混凝土技術(shù)有諸多進(jìn)展，其中最可喜的是粉煤灰、硅灰、磨細(xì)礦粉、偏高嶺土等活性混合材已成為制備高性能混凝土必不可少的組分。但從國際會(huì)議內(nèi)容和國內(nèi)外媒體報(bào)道中看，在高性能混凝土的制備技術(shù)、性能特點(diǎn)上卻大同小異，特別是在基礎(chǔ)理論研究上無重大突破，同時(shí)，在重要和重大混凝土工程中摻入工業(yè)廢渣后如何有效提高混凝土性能、提高了其何種性能，材料研究人員與工程技術(shù)人員有分歧。究其原因，主要是理論依據(jù)不足所致。

　　孫教授認(rèn)為，要達(dá)到廢渣充分利用的目的，首當(dāng)其沖的是應(yīng)加強(qiáng)基礎(chǔ)理論研究。只有這樣，才能使若明若暗、說不清楚的復(fù)雜現(xiàn)象與問題得到科學(xué)的論證，從理論上消除人們的疑慮，揭開綜合利用工業(yè)廢渣的綠色面紗。解決問題的關(guān)鍵在于對(duì)高性能水泥基材料中摻入不同品種、不同性質(zhì)與不同摻量的工業(yè)廢渣后，其結(jié)構(gòu)形成和損傷失效的兩個(gè)全過程的特點(diǎn)與規(guī)律進(jìn)行真實(shí)、定量的描述。當(dāng)今，在水泥基材料中摻入不同類型、不同性質(zhì)的工業(yè)廢渣后，它對(duì)混凝土物理、力學(xué)與耐久性能到底發(fā)揮了什么效應(yīng)，效應(yīng)程度的高低，在混凝土宏觀行為上有什么體現(xiàn)，產(chǎn)生的細(xì)觀和微觀機(jī)理又如何定量與正確的論述，這都是需要研究的重要問題?；谶@一現(xiàn)狀，在21世紀(jì)，節(jié)能與環(huán)保型高性能水泥基材料的研究要應(yīng)用新的理念、先進(jìn)的試驗(yàn)方法和分析手段，經(jīng)過復(fù)合技術(shù)與疊加原理，真正制備出符合各類重要和重大工程所需要的節(jié)能與環(huán)保型高性能水泥基材料，并提出新的性能設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。同時(shí)，研究成果要實(shí)現(xiàn)理論化、模型化、數(shù)字化，使工業(yè)廢渣的潛能在高性能水泥基材料中得到充分發(fā)揮。

　　建立耐久性評(píng)估體系——尋找長壽秘訣

　　高性能水泥基材料的概念提出后，就引起世界各國材料科學(xué)與工程界的密切關(guān)注和高度重視，并稱之為跨世紀(jì)的新材料。國際上對(duì)高性能水泥基材料的研究主要有兩大系列，即低強(qiáng)、中強(qiáng)——高耐久和高強(qiáng)——高耐久。我國現(xiàn)階段許多重大工程如大型、特大型水利水電工程、地鐵與隧道工程、公路與橋梁工程等，在設(shè)計(jì)中多采用低強(qiáng)和中強(qiáng)混凝土，但使用壽命的設(shè)計(jì)則要求達(dá)到100或100年以上。隨著水泥基材料科學(xué)與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展，其高耐久與長壽命的研究，已成為全世界所密切關(guān)注和全力攻關(guān)的重大課題。孫教授介紹說，半個(gè)世紀(jì)以來，混凝土結(jié)構(gòu)很少因強(qiáng)度不足而影響使用，但由于耐久性差而導(dǎo)致混凝土逐漸被破壞、壽命縮短的事故卻不斷發(fā)生，因材質(zhì)劣化而造成破壞、失效以至坍塌的事故時(shí)有發(fā)生。世界上許多國家包括發(fā)達(dá)國家，每年撥出巨資對(duì)重大工程進(jìn)行修補(bǔ)甚至重建。如美國每年混凝土基建工程建設(shè)總價(jià)值為6萬億美元，而用于維修和重建的費(fèi)用就高達(dá)3000億美元。我國正處于建設(shè)高潮，工程建筑物的修補(bǔ)費(fèi)用的資金投入也相當(dāng)可觀。因此，如果不高度重視提高水泥基材料的耐久性和使用壽命，不盡快建立準(zhǔn)確、科學(xué)的評(píng)估體系和方法將后患無窮。

　　增強(qiáng)耐火防爆裂能力——煉就不壞金身

　　最新的研究發(fā)現(xiàn)，水泥基材料的高性能其實(shí)是把“雙刃劍”。孫教授說，與普通水泥相比，它的高強(qiáng)、高耐久性來源于自身結(jié)構(gòu)的密實(shí)與細(xì)化，但這一優(yōu)點(diǎn)也有負(fù)面效應(yīng)。當(dāng)高性能混凝土結(jié)構(gòu)暴露于火災(zāi)中，會(huì)發(fā)生崩落，使得結(jié)構(gòu)中的鋼筋因失去保護(hù)層在高溫中過早失效，從而引起安全和經(jīng)濟(jì)兩方面的重大損失。在熊熊的烈焰中，高性能混凝土結(jié)構(gòu)甚至還會(huì)發(fā)生粉碎性爆裂，造成更大的、難以估計(jì)的生命和財(cái)產(chǎn)損失。這種爆裂性受到很多因素的影響，其中溫升速率、集料的礦物成分、熱應(yīng)力、混凝土的密度和含濕量等影響較大。關(guān)于高性能混凝土爆裂的機(jī)理，迄今為止主要有兩種解釋：一是熱應(yīng)力原理，即由外界溫度急劇變化，導(dǎo)致巨大的溫度梯度而形成溫度應(yīng)力使得混凝土爆裂；二是水蒸氣壓力原理，即混凝土內(nèi)部的水分在高溫條件下，由混凝土的孔隙中形成巨大的蒸氣壓力而使其爆裂。

　　提高韌性及阻裂性能——實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)

　　孫教授在介紹高性能水泥基材料的最新研究情況時(shí)指出，科學(xué)家在研究中發(fā)現(xiàn)，高性能水泥基材料的強(qiáng)度提高后，更為性脆易裂。為此，科學(xué)家們已相繼研制開發(fā)出活性粉末混凝土即超高性能活性粉末混凝土等高性能水泥基材料新品種。孫教授舉例介紹說，加拿大的工程技術(shù)人員利用活性粉末混凝土建造了一座人行橋，不僅減輕了自重，提高了性能，節(jié)省了大量材料，而且具有極高的耐久性能。在加拿大召開的高性能混凝土和活性粉末混凝土國際會(huì)議上，專家們對(duì)這座橋給予了高度評(píng)價(jià)，認(rèn)為活性粉末混凝土是一種科技含量高、可與金屬材料媲美、同高分子材料抗衡的新型材料。此外，鋼纖維混凝土、漬漿纖維混凝土（SIFCON）等的研究開發(fā)工作，也取得長足進(jìn)展，應(yīng)用日益廣泛。特別是漬漿纖維混凝土，科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)，它的力學(xué)性質(zhì)有按數(shù)量級(jí)提高的趨勢(shì)，當(dāng)采用Vf=10％的端鉤纖維，且在混凝土中摻入超細(xì)粉煤灰時(shí)，抗彎強(qiáng)度為80MPa以上，韌性指標(biāo)也超過350N·m，產(chǎn)生了極其顯著的增強(qiáng)、增韌和阻裂效應(yīng)，同時(shí)，采用超細(xì)工業(yè)廢渣，充分激發(fā)它們的活性，優(yōu)化其組成與結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步提高物理和耐久性能，使之真正成為綠色超高性能水泥基材料。孫教授說，活性粉末混凝土、漬漿纖維混凝土等高性能水泥基材料的研究工作，在國際上十分活躍，且正在重大的土木與建筑工程和國防工程中應(yīng)用。我國的科研與工程技術(shù)人員已看到新型高性能水泥基材料和超高性能水泥基材料的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，特別是優(yōu)異的遮彈與抗爆效果。在新的世紀(jì)里，我國也將繼續(xù)開展纖維增強(qiáng)高性能水泥基材料的理論研究與開拓應(yīng)用。孫教授自信地說，在不久的將來，我們定能消除高性能水泥基材料性脆易裂的缺憾，趕超世界先進(jìn)水平，使高性能水泥基材料實(shí)現(xiàn)剛?cè)嵯酀?jì)，堅(jiān)不可摧。

　　建立信息網(wǎng)絡(luò)——勇立科研潮頭

　　當(dāng)今國際水泥基材料發(fā)展迅速，已由普通、高性能進(jìn)入到超高性能領(lǐng)域，并加速向功能化的方向發(fā)展。孫教授介紹說，隨著納米技術(shù)在材料領(lǐng)域中的應(yīng)用，將促進(jìn)納米水泥和納米節(jié)能與環(huán)保性水泥在高性能水泥基材料中的應(yīng)用，并在性能上發(fā)生飛躍，這是歷史發(fā)展的趨勢(shì)。同時(shí)，全球信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，為科技信息資源的交流與共享提供了最快速、最便捷的方式，也為傳統(tǒng)工業(yè)的發(fā)展，構(gòu)筑了高速路。但在我國的建材工業(yè)特別是水泥基材料領(lǐng)域中，目前存在的最大問題是由于信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)沒有普遍建立，導(dǎo)致了水泥、混凝土科學(xué)界不能及時(shí)了解掌握國際的最新發(fā)展動(dòng)向與信息，使許多研究工作重復(fù)、滯后，浪費(fèi)了時(shí)間，影響了科研成果取得更大突破與創(chuàng)新。因此，孫教授呼吁，應(yīng)盡快全面建立信息網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和信息數(shù)據(jù)庫，使我們的高性能水泥基材料等建筑材料的研究與應(yīng)用盡快趕超國際先進(jìn)水平，能永遠(yuǎn)處于國際前沿，勇立國際科研潮頭。