水泥基材料要变“高”还需闯过五关

　　加强基础理论研究——揭开绿色面纱

　　节能与环保型高性能水泥基材料，其绿色的含义是通过有效利用大量工业废渣来诠释的。在影响生态环境的诸多因素中，水泥生产过程中废气的排放和工业废渣的堆积均起着很大的负面作用。我国到2010年水泥年产量将达8亿吨以上，生产过程中放出的大量CO 2对环境的损害已无法估计，目前，工业废渣已累计堆放65亿吨。因此，有效利用工业废渣，节约水泥是一个重大科学技术问题。

　　据孙教授介绍，现在，综合利用工业废渣，节省土地、能源与资源，保护生态环境已成共识，许多国家制备高性能混凝土技术有诸多进展，其中最可喜的是粉煤灰、硅灰、磨细矿粉、偏高岭土等活性混合材已成为制备高性能混凝土必不可少的组分。但从国际会议内容和国内外媒体报道中看，在高性能混凝土的制备技术、性能特点上却大同小异，特别是在基础理论研究上无重大突破，同时，在重要和重大混凝土工程中掺入工业废渣后如何有效提高混凝土性能、提高了其何种性能，材料研究人员与工程技术人员有分歧。究其原因，主要是理论依据不足所致。

　　孙教授认为，要达到废渣充分利用的目的，首当其冲的是应加强基础理论研究。只有这样，才能使若明若暗、说不清楚的复杂现象与问题得到科学的论证，从理论上消除人们的疑虑，揭开综合利用工业废渣的绿色面纱。解决问题的关键在于对高性能水泥基材料中掺入不同品种、不同性质与不同掺量的工业废渣后，其结构形成和损伤失效的两个全过程的特点与规律进行真实、定量的描述。当今，在水泥基材料中掺入不同类型、不同性质的工业废渣后，它对混凝土物理、力学与耐久性能到底发挥了什么效应，效应程度的高低，在混凝土宏观行为上有什么体现，产生的细观和微观机理又如何定量与正确的论述，这都是需要研究的重要问题。基于这一现状，在21世纪，节能与环保型高性能水泥基材料的研究要应用新的理念、先进的试验方法和分析手段，经过复合技术与叠加原理，真正制备出符合各类重要和重大工程所需要的节能与环保型高性能水泥基材料，并提出新的性能设计和计算方法。同时，研究成果要实现理论化、模型化、数字化，使工业废渣的潜能在高性能水泥基材料中得到充分发挥。

　　建立耐久性评估体系——寻找长寿秘诀

　　高性能水泥基材料的概念提出后，就引起世界各国材料科学与工程界的密切关注和高度重视，并称之为跨世纪的新材料。国际上对高性能水泥基材料的研究主要有两大系列，即低强、中强——高耐久和高强——高耐久。我国现阶段许多重大工程如大型、特大型水利水电工程、地铁与隧道工程、公路与桥梁工程等，在设计中多采用低强和中强混凝土，但使用寿命的设计则要求达到100或100年以上。随着水泥基材料科学与应用技术的发展，其高耐久与长寿命的研究，已成为全世界所密切关注和全力攻关的重大课题。孙教授介绍说，半个世纪以来，混凝土结构很少因强度不足而影响使用，但由于耐久性差而导致混凝土逐渐被破坏、寿命缩短的事故却不断发生，因材质劣化而造成破坏、失效以至坍塌的事故时有发生。世界上许多国家包括发达国家，每年拨出巨资对重大工程进行修补甚至重建。如美国每年混凝土基建工程建设总价值为6万亿美元，而用于维修和重建的费用就高达3000亿美元。我国正处于建设高潮，工程建筑物的修补费用的资金投入也相当可观。因此，如果不高度重视提高水泥基材料的耐久性和使用寿命，不尽快建立准确、科学的评估体系和方法将后患无穷。

　　增强耐火防爆裂能力——炼就不坏金身

　　最新的研究发现，水泥基材料的高性能其实是把“双刃剑”。孙教授说，与普通水泥相比，它的高强、高耐久性来源于自身结构的密实与细化，但这一优点也有负面效应。当高性能混凝土结构暴露于火灾中，会发生崩落，使得结构中的钢筋因失去保护层在高温中过早失效，从而引起安全和经济两方面的重大损失。在熊熊的烈焰中，高性能混凝土结构甚至还会发生粉碎性爆裂，造成更大的、难以估计的生命和财产损失。这种爆裂性受到很多因素的影响，其中温升速率、集料的矿物成分、热应力、混凝土的密度和含湿量等影响较大。关于高性能混凝土爆裂的机理，迄今为止主要有两种解释：一是热应力原理，即由外界温度急剧变化，导致巨大的温度梯度而形成温度应力使得混凝土爆裂；二是水蒸气压力原理，即混凝土内部的水分在高温条件下，由混凝土的孔隙中形成巨大的蒸气压力而使其爆裂。

　　提高韧性及阻裂性能——实现刚柔相济

　　孙教授在介绍高性能水泥基材料的最新研究情况时指出，科学家在研究中发现，高性能水泥基材料的强度提高后，更为性脆易裂。为此，科学家们已相继研制开发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种。孙教授举例介绍说，加拿大的工程技术人员利用活性粉末混凝土建造了一座人行桥，不仅减轻了自重，提高了性能，节省了大量材料，而且具有极高的耐久性能。在加拿大召开的高性能混凝土和活性粉末混凝土国际会议上，专家们对这座桥给予了高度评价，认为活性粉末混凝土是一种科技含量高、可与金属材料媲美、同高分子材料抗衡的新型材料。此外，钢纤维混凝土、渍浆纤维混凝土（SIFCON）等的研究开发工作，也取得长足进展，应用日益广泛。特别是渍浆纤维混凝土，科学家们发现，它的力学性质有按数量级提高的趋势，当采用Vf=10％的端钩纤维，且在混凝土中掺入超细粉煤灰时，抗弯强度为80MPa以上，韧性指标也超过350N·m，产生了极其显著的增强、增韧和阻裂效应，同时，采用超细工业废渣，充分激发它们的活性，优化其组成与结构，进一步提高物理和耐久性能，使之真正成为绿色超高性能水泥基材料。孙教授说，活性粉末混凝土、渍浆纤维混凝土等高性能水泥基材料的研究工作，在国际上十分活跃，且正在重大的土木与建筑工程和国防工程中应用。我国的科研与工程技术人员已看到新型高性能水泥基材料和超高性能水泥基材料的独特优势，特别是优异的遮弹与抗爆效果。在新的世纪里，我国也将继续开展纤维增强高性能水泥基材料的理论研究与开拓应用。孙教授自信地说，在不久的将来，我们定能消除高性能水泥基材料性脆易裂的缺憾，赶超世界先进水平，使高性能水泥基材料实现刚柔相济，坚不可摧。

　　建立信息网络——勇立科研潮头

　　当今国际水泥基材料发展迅速，已由普通、高性能进入到超高性能领域，并加速向功能化的方向发展。孙教授介绍说，随着纳米技术在材料领域中的应用，将促进纳米水泥和纳米节能与环保性水泥在高性能水泥基材料中的应用，并在性能上发生飞跃，这是历史发展的趋势。同时，全球信息产业的飞速发展，为科技信息资源的交流与共享提供了最快速、最便捷的方式，也为传统工业的发展，构筑了高速路。但在我国的建材工业特别是水泥基材料领域中，目前存在的最大问题是由于信息网络系统没有普遍建立，导致了水泥、混凝土科学界不能及时了解掌握国际的最新发展动向与信息，使许多研究工作重复、滞后，浪费了时间，影响了科研成果取得更大突破与创新。因此，孙教授呼吁，应尽快全面建立信息网络系统和信息数据库，使我们的高性能水泥基材料等建筑材料的研究与应用尽快赶超国际先进水平，能永远处于国际前沿，勇立国际科研潮头。