混凝土界最偉大的進(jìn)步之一，就是不用瞎蒙混了

  二十世紀(jì)后半葉混凝土業(yè)界最偉大的成就之一，就是讓混凝土技術(shù)成為了一門材料科學(xué)，通過材料科學(xué)、化學(xué)、結(jié)構(gòu)工程、工程力學(xué)等領(lǐng)域的科學(xué)家、工程師、科研工作者們的不懈努力，我們終于可以用科學(xué)的方法來描述、研究、預(yù)測、評估混凝土這個非常復(fù)雜的材料，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樣，成為材料科學(xué)新的研究對象。

  在這之前，我們只能靠經(jīng)驗蒙。蒙的結(jié)果有時候還可以，但更多的時候是慘不忍睹的。很多混凝土結(jié)構(gòu)十年不到就出問題了，要么鋼筋銹蝕，要么堿骨料反應(yīng)嚴(yán)重，要么表皮全開裂，要么抗?jié)B性能降低到不能接受的地步……為了維修這些出問題的混凝土結(jié)構(gòu)，我們不得不花費(fèi)大量的人力物力和時間金錢。而且由于基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的規(guī)模一般都比較龐大，很多時候真的是「拆了東墻補(bǔ)西墻」，剛剛修好這邊，那邊又不行了。

  僅以美國為例，統(tǒng)計資料顯示2004年美國全國用于維修混凝土結(jié)構(gòu)的投資高達(dá)200億美金，而因為混凝土中的鋼筋銹蝕造成的拆除、重建、維修、加固等損失更是高達(dá)一年1200億美金。更重要的是，因為總的資金是有限的，把有限的資金用來維修舊的出問題的混凝土結(jié)構(gòu)，意味著就沒有錢建造新的混凝土結(jié)構(gòu)了，社會急需的新道路、新橋梁、新水壩很可能會因為資金緊張而無法完工。如果不修舊的，舊的就會出問題，橋會塌，大壩會崩潰；如果修舊的，那就沒錢建新的，就無法用基礎(chǔ)設(shè)施來促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。進(jìn)退兩難，舉步維艱，而這一切的根本原因很可能是因為當(dāng)初設(shè)計建造的不科學(xué)。

  事實上，混凝土工業(yè)是全球規(guī)模最大的產(chǎn)業(yè)之一，是溫室氣體排放的主要產(chǎn)業(yè)之一，也是全球消耗自然資源最多的產(chǎn)業(yè)。混凝土是全球產(chǎn)量最大的工業(yè)品，每人每年平均三噸。水泥廠生產(chǎn)水泥的化學(xué)反應(yīng)需要高溫，化學(xué)反應(yīng)本身再加上燃料的燃燒，每生產(chǎn)一噸水泥就要釋放一噸的二氧化碳，這還是技術(shù)比較新、設(shè)備比較好的水泥廠；對于那些陳舊的小水泥廠，可能附近整個地區(qū)都會是灰蒙蒙的。

  消耗了這么多的自然資源，排放了這么多的溫室氣體，順帶著污染了水泥廠周圍的環(huán)境，最后弄出來一堆用不了十年二十年就會出問題的產(chǎn)品，壞掉了還沒地方扔，全變成了建筑垃圾。至少在我看來，這是赤裸裸的對人類的犯罪，是堅決不能接受的。

  也許你會說，沒覺得有那么多混凝土結(jié)構(gòu)十幾年就不行了，也沒見過壞的不像樣子的混凝土結(jié)構(gòu)，為什么呢？因為很多其它原因，你身邊的很多混凝土結(jié)構(gòu)不到十幾年就已經(jīng)被拆掉重建了，又一次為GDP的增長做貢獻(xiàn)去了。

  也許你會說，關(guān)我什么事兒呢？十幾年后的事情十幾年以后再說，我先干我這個工程，拿到錢再說。如果您這么想，那我也沒辦法。但是我知道，那些造三鹿奶粉、蘇丹紅食品的肯定也是類似的想法。

  某種意義上，加固維修的巨額花銷都是在為當(dāng)初設(shè)計建造時候的錯誤買單。如果當(dāng)初工程師們能夠蒙的好一點點，就能為現(xiàn)在節(jié)省這每年上千億美金的開支。顯然，蒙是不靠譜的，我們需要比蒙更好的方法。什么是更好的方法呢？不同的人有不同的見解。

  有的人會殺雞宰羊，放鞭炮，挑好日子，不讓女性朋友下工地，他們認(rèn)為這樣就會避免工程事故，提高工程質(zhì)量；有的人依靠經(jīng)驗，一切以老把式、老師傅教的為準(zhǔn)，以前都是這樣干的，所以這次也一樣；還有些人會依靠科學(xué)，用化學(xué)、力學(xué)的知識來解釋問題，用實驗、分析來解決問題。

  也許這三種辦法都可以奏效，但顯然它們的成功率和可以達(dá)到的上限是不一樣的。如果你認(rèn)為第一種比第三種還要好，顯然我們也沒有進(jìn)一步對話的必要了。

  什么是科學(xué)的方法？科學(xué)就是以事實為根據(jù)，以實踐為標(biāo)準(zhǔn)。

  看不清微觀結(jié)構(gòu)？我們就用顯微鏡，甚至電子掃描顯微鏡。搞不清水化機(jī)理？我們就用純的C3S、純的C3A……每一個化學(xué)成分都單獨(dú)測試。搞不清反應(yīng)的流程？我們就用核磁共振，監(jiān)控每一個我們感興趣的反應(yīng)。

  不確定長期的抗凍融性能？那就把試件在冰箱里反復(fù)凍融好幾個月。不確定長期的堿骨料活性？那就在把試件在氫氧化鈉溶液里泡兩年。不確定長期的硫離子侵蝕？那就把試件在不同的硫離子環(huán)境里監(jiān)控五十年。

  這是一張數(shù)據(jù)圖，注意看橫坐標(biāo)，最大值是45，單位是年。[Page]

  美國內(nèi)政部復(fù)墾局負(fù)責(zé)美國西部的水利工程建設(shè)，為了解決混凝土水壩抗硫離子侵蝕的問題，他們在二戰(zhàn)時展開了這項實驗，實驗的數(shù)據(jù)采集一直持續(xù)了四十多年。這四十多年的堅持，不僅僅能幫助內(nèi)政部興建維護(hù)混凝土水壩，更重要的是，它提供了我們對混凝土抗硫離子侵蝕的第一手資料。

  類似的實驗有很多，每一項實驗、每一項研究都能推進(jìn)我們對混凝土材料的認(rèn)知，都能修正我們的理論。千千萬萬個這樣的研究合在一起，共同構(gòu)成了我們的混凝土材料科學(xué)。

  根據(jù)我們已知的混凝土材料科學(xué)，我們甚至已經(jīng)有了混凝土材料的計算機(jī)水化模型。就像工程師設(shè)計結(jié)構(gòu)會用 SAP2000、ETABS 或者 PKPM 等軟件分析結(jié)構(gòu)的受力性能，不需要真正建造這個結(jié)構(gòu)物，就能在電腦上預(yù)測結(jié)構(gòu)的情況，繼而設(shè)計優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計；混凝土科學(xué)家也有相應(yīng)的軟件，不需要真正的制作混凝土，就能在電腦上模擬混凝土的性能，繼而優(yōu)化混凝土的配比。

  美國商務(wù)部的國家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究所（NIST）的 VCCTL 軟件就是其中之一，VCCTL 是 Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory 的縮寫。輸入你的混凝土配比，比如水灰比、水泥用量、骨料用量等等參數(shù)，輸入你的水泥的化學(xué)成分，輸入你的 SCMs 的成分，輸入外加劑的種類、劑量，輸入環(huán)境參數(shù)，就可以模擬混凝土的水化反應(yīng)。你甚至可以輸入顯微鏡照片，直接輸入第一手的化學(xué)成分信息。

  模擬水化反應(yīng)，得到模擬的水化微觀結(jié)構(gòu)，繼而輸出混凝土的強(qiáng)度、彈性模量、抗?jié)B透性能等等。通過這些分析結(jié)果，優(yōu)化混凝土配比，然后再模擬測試，然后再優(yōu)化再測試。雖然這不能代替現(xiàn)場實驗，但是這可以指明現(xiàn)場實驗的方向，而且節(jié)省了實際實驗的時間和費(fèi)用。

  也許你覺得這些不夠科學(xué)，沒錯，如果你像謝爾頓那樣執(zhí)著的話，這些的確不像理論物理那么「科學(xué)」。但如果你放寬一點標(biāo)準(zhǔn)，混凝土科學(xué)絕對跟很多其它「科學(xué)」的「科學(xué)」程度是一樣的。

  這是貼在家里的一張海報，里面的每一個箭頭、每一根線都是好幾篇或者好幾十篇論文，很多都是 CNS，甚至有一些是諾貝爾獎得主的成果。這是一個很直觀的科學(xué)的圖形化表述，一門科學(xué)就是由這些千千萬萬的點點滴滴組成的。

  也許你會說，雖然知道這些，但是也沒有用處，我們一樣治不了癌癥，或者，我們一樣不能保證高質(zhì)量的混凝土。沒錯，科學(xué)不是萬靈藥，偽科學(xué)或者反科學(xué)才標(biāo)榜自己是萬靈藥。

  當(dāng)初火藥發(fā)明的時候，很多人也覺得沒有用處，類似的例子有很多，大劉在《三體》里是這么說的：“想象一個古代的王國，他們的技術(shù)也在進(jìn)步，能為士兵造出更好的刀啊劍啊長矛啊，甚至還有可能造出像機(jī)關(guān)槍那樣連發(fā)的弓箭呢，但……”大史若有所思地點點頭，“但如果他們不知道物質(zhì)是由原子、分子組成的，就永遠(yuǎn)造不出導(dǎo)彈和衛(wèi)星，科學(xué)水平限制著呢?！?

  有時候，科學(xué)不見得比經(jīng)驗或者瞎蒙的效果更好，就像早期的火槍還不如弓弩，但它們有著不一樣的未來。因為現(xiàn)在經(jīng)驗比科學(xué)更管用，所以就嘲笑和鄙視科學(xué)，這顯然是沒有遠(yuǎn)見的行為。人類的技術(shù)進(jìn)步，最終還是由辛勤工作的科學(xué)家和工程師們共同推進(jìn)的。