神奇！混凝土界神秘材料让港珠澳大桥更“长寿”

　　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。

　　中国混凝土总体用量占到了全世界的50%

　　李宗津1978年考入浙江大学土木系，从此与混凝土结缘。赴美留学，他师从世界上最有名的混凝土大师学习，毕业后到香港科技大学任教。他笑称，“开始了我跟混凝土死磕的学术生涯。”李宗津介绍，传统的混凝土主要由水泥、沙和水、粗骨料组成，由于水泥和水的水化作用形成了胶凝材料，把一盘散沙联结在一起，就形成了坚固的混凝土。国家大型基建工程，离不开对混凝土的大量使用。

　　李宗津介绍，中国混凝土的总体用量，占到了世界上混凝土用量的50%。“这对整个的国民经济造成了非常重大的影响，同时也对我们国家资源、能源和环境产生了巨大的影响。”混凝土使用广泛，但同时也有抗拉能力较弱的短板。李宗津解释，混凝土材料的抗压性能特别高，但是抗拉性能只有它抗压强度的十分之一到五十分之一。抗拉强度比较低、脆性大，造成的一个直接危害就是容易开裂。除了不美观外，裂缝还会导致有害介质、有害气体进入混凝土，直接影响混泥土的耐久性和使用寿命，严重的时候甚至可能对人身和财产安全造成巨大隐患。

　　掺入有机聚合物有效提高混凝土抗拉强度

　　随着时间推移、技术发展，混凝土的成分也在不断增加。李宗津介绍，现代混凝土大多数增加了矿物掺合料和化学外加剂这两种组份，这使得混凝土的胶凝组分更加复杂，性能也有很大的不同。现代混凝土有两个典型代表，具备高流动性的自流平混凝土和具有极强抗压强度的超高强混凝土，但是传统混凝土具有的抗拉能力弱、易裂缝的缺点，加入新组分的现代混凝土依然无法解决，甚至表现得更突出了。为了解决混凝土抗拉能力弱的老问题，2009年，中国首个混凝土材料973研究项目启动，李宗津出任该项目的首席科学家。如何解决混凝土一直以来的“老大难”问题，增强抗拉能力？

　　李宗津的解题思路是，从纳米尺度来观察和解决混凝土材料结构的问题。原来，混凝土水化产物-硅酸钙凝胶的实际尺寸其实是在纳米尺度的，“如果把在纳米材料结构的一些本质现象递推到我们庞然大物的混凝土结构当中，我们就可以非常科学地解决混凝土的性能和结构问题。”带着这个想法，李宗津和团队着手利用纳米材料改善混凝土在纳米尺度的材料结构，通过改善纳米材料结构，达到改进宏观力学性能的效果。他举例，“我们做的第一个工作就是想办法提高混凝土的抗拉强度，我们在混凝土当中掺入有机聚合物，使它在我们硅酸盐凝胶形成一个网络，有效提高混凝土的抗拉强度。”

　　相关研究成果已应用到港珠澳大桥

　　李宗津团队的实验成功了。该材料已经直接应用到了港珠澳大桥和泰州长江大桥等大型重点基础工程中，有效改善混凝土薄壁构件的开裂问题。他介绍，该材料主要是应用在港珠澳大桥的桥面板有负弯矩的部位。从实验室研发成功，到实际投入应用，李宗津和团队花了仅仅两年的时间。这也不是他们唯一已投入实际应用的实验成果，李宗津透露，除了增韧外加剂，团队也开发了一些其他的多功能、耐久性增强外加剂，应用在其他的重大工程上面。

　　除了增强抗拉性和韧性的混凝土，李宗津和团队还研发了泡沫混凝土。他现场提到一个有趣的细节：澳门大学前校长赵伟曾尝试要用他的身体把泡沫混凝土给压垮，结果以失败告终，“足见泡沫混凝土的强度之高，可谓‘坚不可摧’”。李宗津介绍，通过水泥水化纳米颗粒改善水凝胶的性能综合指标，其研究团队的成果是世界上最为顶尖的。他的团队还将这种水凝胶的单体加入水泥基材料。“对比没有加(纳米改善水凝胶)的，其抗弯强度可以提高近4倍，这是一个比较大的进步。”

　　延长混凝土服役寿命是未来课题研究的方向

　　在解决多项混凝土短板的技术难题后，李宗津和团队现在工作的重点和方向是什么？未来的混凝土能彻底摆脱抗拉强度差、易裂缝的短板吗？李宗津介绍，如何在多种应用场景下，提高混凝土的整体使用寿命，成为当下他和团队的主要研究课题。其中，首要解决的依然是优化提高混凝土的抗折强度。李宗津和团队的思路是，“进一步优化提高混凝土抗折强度措施，利用有机与无机交混的纳米复合材料控制混凝土水化过程的热量释放过程，以提高混凝土的抗裂能力，进而提高混凝土耐久性，延长混凝土服役寿命。”

　　除了继续努力提高混凝土整体使用寿命，李宗津谈到目前团队实验成果的实际应用转化时，一口气提到了不少：“进一步优化高性能水凝胶，并开发该材料在功能器件和生物材料中的应用；另外一个工作重点就是大力推广团队开发的新型液浮式垂直轴风机。”谈到未来对相关合作的展望和愿景，除了具体的实验和应用项目外，李宗津还特别提到，希望未来在混凝土3D远景打印，做到兼顾复杂结构的同时，能美丽和艺术感兼具。

　　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。

　　第二项也是利用广州光机电研究所、香港科技大学开发的水泥基压电传感器及声发射原理，制备轨道裂缝监测设备。据了解，该设备可以实时监测铁轨裂缝或损伤，实现全自动24×7全天候轨道健康监测。当时正进入实验应用阶段。据介绍，该设备投入应用前，地铁轨道监测主要以人工为主，工作量大，效率难以保证。并且以往的探测方式对螺栓孔周围的微小损伤难以探测，有较大的盲区。比如说，轨道底的裂纹很难被肉眼发现。而这套设备的投入使用可以解决这些传统人工监测的短板，让地铁轨道安全更上一层楼。