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观点 | 混凝土技术真的是靠经验去蒙的吗?

二十世纪后半叶混凝土业界最伟大的成就之一,就是让混凝土技术成为了一门材料科学,通过材料科学、化学、结构工程、工程力学等领域的科学家、工程师、科研工作者们的不懈努力,我们终于可以用科学的方法来描述、研究、预测、评估混凝土这个非常复杂的材料,混凝土也像高性能陶瓷、高性能合金、高分子聚合物、高性能塑料等等工程材料一样,成为材料科学新的研究对象。


在这之前,我们只能靠经验蒙。蒙的结果有时候还可以,但更多的时候是惨不忍睹的。很多混凝土结构十年不到就出问题了,要么钢筋锈蚀,要么碱骨料反应严重,要么表皮全开裂,要么抗渗性能降低到不能接受的地步……为了维修这些出问题的混凝土结构,我们不得不花费大量的人力物力和时间金钱。而且由于基础设施建设的规模一般都比较庞大,很多时候真的是「拆了东墙补西墙」,刚刚修好这边,那边又不行了。


仅以美国为例,统计资料显示2004年美国全国用于维修混凝土结构的投资高达200亿美金,而因为混凝土中的钢筋锈蚀造成的拆除、重建、维修、加固等损失更是高达一年1200亿美金。更重要的是,因为总的资金是有限的,把有限的资金用来维修旧的出问题的混凝土结构,意味着就没有钱建造新的混凝土结构了,社会急需的新道路、新桥梁、新水坝很可能会因为资金紧张而无法完工。如果不修旧的,旧的就会出问题,桥会塌,大坝会崩溃;如果修旧的,那就没钱建新的,就无法用基础设施来促进经济发展。进退两难,举步维艰,而这一切的根本原因很可能是因为当初设计建造的不科学。

事实上,混凝土工业是全球规模最大的产业之一,是温室气体排放的主要产业之一,也是全球消耗自然资源最多的产业。混凝土是全球产量最大的工业品,每人每年平均三吨。水泥厂生产水泥的化学反应需要高温,化学反应本身再加上燃料的燃烧,每生产一吨水泥就要释放一吨的二氧化碳,这还是技术比较新、设备比较好的水泥厂;对于那些陈旧的小水泥厂,可能附近整个地区都会是灰蒙蒙的。


消耗了这么多的自然资源,排放了这么多的温室气体,顺带着污染了水泥厂周围的环境,最后弄出来一堆用不了十年二十年就会出问题的产品,坏掉了还没地方扔,全变成了建筑垃圾。至少在我看来,这是赤裸裸的对人类的犯罪,是坚决不能接受的。


也许你会说,没觉得有那么多混凝土结构十几年就不行了,也没见过坏的不像样子的混凝土结构,为什么呢?因为很多其它原因,你身边的很多混凝土结构不到十几年就已经被拆掉重建了,又一次为GDP的增长做贡献去了。


也许你会说,关我什么事儿呢?十几年后的事情十几年以后再说,我先干我这个工程,拿到钱再说。如果您这么想,那我也没办法。但是我知道,那些造三鹿奶粉、苏丹红食品的肯定也是类似的想法。


某种意义上,加固维修的巨额花销都是在为当初设计建造时候的错误买单。如果当初工程师们能够蒙的好一点点,就能为现在节省这每年上千亿美金的开支。显然,蒙是不靠谱的,我们需要比蒙更好的方法。什么是更好的方法呢?不同的人有不同的见解。


有的人会杀鸡宰羊,放鞭炮,挑好日子,不让女性朋友下工地,他们认为这样就会避免工程事故,提高工程质量;有的人依靠经验,一切以老把式、老师傅教的为准,以前都是这样干的,所以这次也一样;还有些人会依靠科学,用化学、力学的知识来解释问题,用实验、分析来解决问题。


也许这三种办法都可以奏效,但显然它们的成功率和可以达到的上限是不一样的。如果你认为第一种比第三种还要好,显然我们也没有进一步对话的必要了。


什么是科学的方法?科学就是以事实为根据,以实践为标准。


看不清微观结构?我们就用显微镜,甚至电子扫描显微镜。搞不清水化机理?我们就用纯的C3S、纯的C3A……每一个化学成分都单独测试。搞不清反应的流程?我们就用核磁共振,监控每一个我们感兴趣的反应。


不确定长期的抗冻融性能?那就把试件在冰箱里反复冻融好几个月。不确定长期的碱骨料活性?那就在把试件在氢氧化钠溶液里泡两年。不确定长期的硫离子侵蚀?那就把试件在不同的硫离子环境里监控五十年。


这是我们混凝土材料课上的一张数据图,注意看横坐标,最大值是45,单位是年。


美国内政部复垦局负责美国西部的水利工程建设,为了解决混凝土水坝抗硫离子侵蚀的问题,他们在二战时展开了这项实验,实验的数据采集一直持续了四十多年。这四十多年的坚持,不仅仅能帮助内政部兴建维护混凝土水坝,更重要的是,它提供了我们对混凝土抗硫离子侵蚀的第一手资料。


类似的实验有很多,每一项实验、每一项研究都能推进我们对混凝土材料的认知,都能修正我们的理论。千千万万个这样的研究合在一起,共同构成了我们的混凝土材料科学。


根据我们已知的混凝土材料科学,我们甚至已经有了混凝土材料的计算机水化模型。就像工程师设计结构会用 SAP2000、ETABS 或者 PKPM 等软件分析结构的受力性能,不需要真正建造这个结构物,就能在电脑上预测结构的情况,继而优化结构设计;混凝土科学家也有相应的软件,不需要真正的制作混凝土,就能在电脑上模拟混凝土的性能,继而优化混凝土的配比。


美国商务部的国家标准技术研究所(NIST)的 VCCTL 软件就是其中之一,VCCTL 是 Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory 的缩写。输入你的混凝土配比,比如水灰比、水泥用量、骨料用量等等参数,输入你的水泥的化学成分,输入你的 SCMs 的成分,输入外加剂的种类、剂量,输入环境参数,就可以模拟混凝土的水化反应。你甚至可以输入显微镜照片,直接输入第一手的化学成分信息。

 

模拟水化反应,得到模拟的水化微观结构,继而输出混凝土的强度、弹性模量、抗渗透性能等等。通过这些分析结果,优化混凝土配比,然后再模拟测试,然后再优化再测试。虽然这不能代替现场实验,但是这可以指明现场实验的方向,而且节省了实际实验的时间和费用。


也许你觉得这些不够科学,没错,如果你像谢尔顿那样执着的话,这些的确不像理论物理那么「科学」。但如果你放宽一点标准,混凝土科学绝对跟很多其它「科学」的「科学」程度是一样的。

 

这是我老婆贴在家里的一张海报,里面的每一个箭头、每一根线都是好几篇或者好几十篇论文,很多都是 CNS,甚至有一些是诺贝尔奖得主的成果。这是一个很直观的科学的图形化表述,一门科学就是由这些千千万万的点点滴滴组成的。


也许你会说,虽然知道这些,但是也没有用处,我们一样治不了癌症,或者,我们一样不能保证高质量的混凝土。没错,科学不是万灵药,伪科学或者反科学才标榜自己是万灵药。

当初火药发明的时候,很多人也觉得没有用处,类似的例子有很多,大刘在《三体》里是这么说的:


“想象一个古代的王国,他们的技术也在进步,能为士兵造出更好的刀啊剑啊长矛啊,甚至还有可能造出像机关枪那样连发的弓箭呢,但……”
大史若有所思地点点头,“但如果他们不知道物质是由原子、分子组成的,就永远造不出导弹和卫星,科学水平限制着呢。”

 

有时候,科学不见得比经验或者瞎蒙的效果更好,就像早期的火枪还不如弓弩,但它们有着不一样的未来。因为现在经验比科学更管用,所以就嘲笑和鄙视科学,这显然是没有远见的行为。人类的技术进步,最终还是由辛勤工作的科学家和工程师们共同推进的。


如果食品厂都是靠经验蒙着放添加剂,你还敢吃吗?如果汽车厂都是靠经验蒙着造刹车,你还敢开车吗?同样,为什么蒙着造混凝土就是可以接受的呢?


现在都这样,不代表这样就是对的。如果继续这样下去,留给我们子孙后代的只会是一堆建筑垃圾和一个千疮百孔的地球。

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