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余江滔

职称：教授

学位：博士

电子邮箱：

办公电话：微信号：13816872744

办公室：土木大楼B407

所在部门：土木工程学院

矢志下一代建筑材料

——同济大学土木学院高延性可弯曲混凝土材料ECC研发透视

当混凝土离开钢筋......

随着我国大规模建设速度逐渐放缓，人口老龄化趋势逐渐加快，我国土木工程行业面临的资源危机、环境危机、劳动力危机等3大危机越来越严峻。

建筑产业对资源的需求巨大。余江滔介绍，中国是全球最大的水泥消费国，2001-2022年间中国的水泥总产量396亿吨，其中2021年水泥消费量高达23.78亿吨，占全球的约55%。生产一吨水泥需要1.6吨的石灰石和粘土，所以我国每年的水泥生产消耗的自然资源也非常巨大。据中国砂石协会2023年统计，中国每年砂石消耗量高达200亿吨。人均每年消耗砂石超14吨！巨量的需求伴随而来的是价格巨幅波动：经分选处理的河沙曾从2017年的30元/吨涨到2021年的300元/吨，甚至出现马来西亚河沙进口的情况。混凝土的价格也曾在2021年从400元/方涨到600元/方。

建筑产业给环境带来重大影响。根据BP数据：2020年中国二氧化碳排放量为98.94亿吨，而中国建筑节能协会等发布的《2022中国建筑能耗与碳排放研究报告》介绍，2020年全国建筑全过程能耗总量为22.7亿吨标准煤，占全国能源消费总量的比重为45.5%，当年全国建筑全过程碳排放总量为50.8亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.9%。生产一吨水泥约排放一吨CO₂，以2020年水泥产量计，生产23.77亿吨水泥的二氧化碳排量可占全国总排量的24%。

稍有常识的人都知道，钢筋与混凝土是传统建材中最经典的一对。在过去的几十年里，我国建成巨量的建筑物和基础设施，如我国既有建筑面积达615亿㎡、工业建筑120亿㎡、公路桥梁103.3万座、中国铁路营业里程达15.5万公里、公路535.48万公里，它们短则两成、长的超过五成的服役时间大于30年的状态。根据美国公路和交通标准局的研究，钢筋混凝土建筑物的平均寿命为50～75年左右。在我国，钢筋混凝土建筑物的使用寿命为20～50年，一些重要的建筑物可达到70年。虽然社会和经济上的原因加快了我国建筑物更替的速度，但不可否认的是，我国巨量的既有建筑正逐渐步入“晚年”。老化的建筑与老龄化的社会，还有不可预测的地震等自然灾害，将会使我国面临严峻的考验。

“钢筋混凝土结构，需要工人现场绑扎钢筋，然后灌浆成型，而这些对人力资源形成了严峻的挑战。”余江滔说，最近十年，建筑工人年龄比过去平均增加了十岁，工地上基本都是45岁、50岁、55岁的爷叔，难觅40岁以下的年轻人了。北京建工集团的一项调查显示，2007年建筑业一线作业人员平均年龄为33.2岁，2017年为43.1岁，10年时间平均年龄增加了10岁。现在又过去了五六年，情况只会越来越不堪。

余江滔说，他们团队正在做的，就是针对以上情况，琢磨着让混凝土离开钢筋。研究方向包括高性能混凝土材料的研发、智能化无筋建造技术及无筋建筑加固。可是，混凝土怎样才能离开钢筋呢？答案是：研发新一代的混凝土，使它变得更强（韧性）、更延（延伸率）、更适合自动化建造。为此，他们不断深入研究普适型应变硬化型水泥基复合材料，促进这类面向未来的新型混凝土在各种情景下的应用。

ECC研究已有些年头

美国著名学者Victor Li以细观断裂力学为基础，以水泥、矿物掺和料以及细骨料等为基体，并采用特种纤维增强，成功制作名为ECC（Engineered Cementitious Composites）的高延性纤维增强水泥基复合材料。与普通混凝土相比，这一材料具有拉伸变形能力、高韧性、高裂缝控制和高耐损伤能力。

2019年1月，浙江大学、同济大学等单位以“重大工程结构安全服役的高韧性纤维混凝土制备与应用关键技术”项目获2018年度国家技术发明奖二等奖。报道说，从人们居住的楼房，到车来车往的桥梁，再到江河上的大坝……在我们的生产生活中，混凝土几乎无处不在。一旦混凝土上出现裂缝，便可能酿成大坝损伤、桥隧垮塌的惨剧。在许多人眼中，混凝土裂缝成为一种既神秘又危险的存在。“2.0版本”高韧性混凝土，突破混凝土材料脆性易裂、界面薄弱易裂、结构受拉开裂三大瓶颈，为基础设施稳固及更长寿命贡献出新智慧。

其中，对于怎么控制开裂、怎么样将有害裂缝变形无害裂缝等难题，研究者出了答案。同济大学的学者们在此获奖项目中的主要贡献是建立了基于随机统计学的短纤维增强混凝土多缝开裂过程力学模型，可描述高韧性混凝土准应变硬化行为、微细裂缝的宽度和间距，为混凝土材料高韧化设计中各组分关键力学性能参数的精确量化和复合材料宏观力学性能的预测奠定了理论基础；将这一材料的极限拉伸应变能力稳定地提升至8%（是普通混凝土变形能力的800倍）。

在国内科研人员和工程师的推动下，这一材料应用在上海、浙江、江苏、湖北、云南、四川等不同地区房屋及重大基础设施的改扩建、续建、修复加固中，为工程质量提升和工程按时发挥效益提供了关键保障，应用范围覆盖了桥梁、隧道、港口、大坝等工程领域，效果良好，产生的经济和社会效益显著均以亿元为单位计算。

据了解，这一材料在重大交通、海港工程基础设施中的应用案例包括：应用于浙江省交通厅重点项目杭金衢高速公路拓宽工程、新岭隧道的二衬结构及老隧道加固，有效解决隧道的开裂、渗水及耐久性问题；应用于杭州市重点项目秋石高架三期、四期工程和石祥路提升完善工程的桥面连续构造，解决了连续构造在车辆疲劳荷载及温度荷载作用下的开裂破坏和耐久性问题；应用于上海吴淞军港、南京长江大桥、杭州萧山国际机场、杭新景高速等重点工程紧急抢修，修复后2～4小时内恢复正常使用，修复区至今工作状况良好。

这一材料还应用在南水北调水源工程等国内外重大水利水电工程中。水利水电等大型结构工程混凝土浇筑施工通常采用分层分块施工方法，采用该项目技术提高了层间结合施工质量和施工效率，使混凝土施工浇筑仓位周转更加灵活，且能更好满足施工间歇期的要求。

研究还在继续

“进一步提升ECC的性能，降低其生产成本，这类环保且性能高的建筑材料，就可广泛用于智能建造、绿色施工、装配式建筑等场景。”余江滔说，相较传统ECC，提升后的ECC具有延伸率6～8%、抗拉强度达6～15 MPa（兆帕）、弯折强度15～45 MPa的明显优势，通俗地讲有高延伸、大弯曲、高容缺、压不碎、钻不坏等优点，即拉得长依然强、弯得曲却不断、缺了口依然硬，压得扁但不碎，可以应对极端环境下的非标建造需求。

众所周知，现有的混凝土与钢筋配伍，是因为钢筋有强度、有应变强化和超高的延伸率。常用的热轧带肋钢筋的强度达300～400MPa，其最大力延伸率不小于7.5%，抗震用钢筋的最大力延伸率不小于9%。余江滔介绍，性能进一步提升的ECC具有超高的拉伸变形能力，最大可达12%，比普通混凝土的抗拉伸能力提高500倍以上，达到了建筑用钢的同一水平。此外，其抗拉强度可达5～15MPa（兆帕），弯拉抗折强度约10~30MPa，是普通混凝土的数倍。

余江滔介绍，高性能基体与高强度筋材的结合使用，有望解决传统钢筋混凝土结构的耐久性问题，同时保证结构体系的承载能力。研究团队选取力学性能不同的3种基体（普通混凝土、ECC和UHPC）与2种筋材（钢筋、BFRP筋），对其组成的6种配筋复合体系进行了轴拉试验。试验结果表明，复合材料的拉伸性能受多种因素的影响。高性能基材可以有效地提升构件强度，但复合体系的变形能力由基材与筋材中应变能力较弱的一方决定；高性能基材所提供的抗拉贡献和应变软化会导致复合体系提前进入破坏状态，反而降低了体系的延性（拉伸变形能力）。研究初步证明，基于高性能材料的结构构件设计必须综合考虑材料各自的力学性能和材料间相互作用造成的综合影响。

有没有可能让混凝土彻底离开筋材呢？团队开始了无（少）筋建造的全寿命周期可靠度验证，这一过程要经历从材料到构件，再到结构的全过程营造。试验室中，团队模拟地震、海啸、泥石流猛烈冲击（高速侵彻）时材料、构件的可靠度；模拟极端环境温度影响、抗冻等级、抗渗等级、氯离子渗透等指标。余江滔介绍，他们用模拟地震和泥石流冲击新材料构筑的房屋，结果发现除了墙上留下一些轻微损伤外，房屋依然挺立、淡定；用子弹以及TNT炸药近距离破坏ECC构件，ECC表现出令人满意的高度耐损伤能力。

余江滔说，第十届中国花卉博览会在崇明岛上举行，他们团队获得了花博园展馆的竹藤工艺制品展示馆的营造权。展示馆占地面积940 m²，其中展馆面积350 m²；地下为下沉式广场，展厅为纤维混凝土薄壳。“展馆的材料和建造方式是焦点。”余江滔说，展馆采用ECC建造壳体，其厚度为75毫米；展馆外形呈弯曲的管廊样，弯曲的弦长度为21.1米；展厅呈游龙昂首状，高外6.4米，低处3.4米。通过无筋设计，在3D打印完成底模后，用喷枪喷涂ECC。这是世界上首例采用3D打印底模+喷射ECC建造的无筋结构。

展示馆建造完成后，接下来进行各种试验。先将装满砂石的袋子往上摞，因为建筑是弧形，顶部“挂”不住，那就层层叠叠地堆在拱上。然后再侧向加载，用沙袋挂载、绳索拉扯等办法模拟地震作用、飓风冲击，试验结果表明混凝土壳体未发现明显裂缝。最后也是最具挑战的，是模拟恐怖袭击的撞击试验。架设滑槽后，让180公斤的钢球顺槽冲下，撞击拱壳，壳体出现明显地振动，表面出现明显的凹陷，但结构整体完整。竖向加载试验、侧向加载试验和事故型冲击试验的结构表明，有限元模拟与试验结果相近，结构是可靠、安全的。

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图1 无筋少筋建造——崇明花博会的竹藤制品展示馆

ECC材料的四种应用领域

余江滔说，ECC材料有四个创新的应用方向，其一是无筋/少筋建造，如崇明花博会的竹藤制品展示馆。

第二个应用领域，无筋/少筋加固，如老旧小区改造、农村危房加固。我国主要大中城市建造的多层砌体房屋建筑面积已达400亿m²。目前，大量现役的砌体结构已进入老化阶段且不满足现行规范要求，如材料严重老化、抗震性能差等现象十分突出，需进行加固后才能继续使用。还有布置特殊性带来的问题，如中国长江流域约有9.99亿人口，占全国总人口的70.75%，这一区域具有雨热同期、夏热冬冷的气候特色，大量的砌体房屋具有南北朝向、长宽比大、纵墙开洞率高、纵弱横强、南轻北重等特点，抵御重大灾害的性能不佳。此外，城市老旧房屋的居住人口密集，房屋占用率高，多为“实心房”，房屋的改造难度高。传统的加固方法普遍存在施工清空时间长、加固后面积明显缩小、加固层容易开裂、施工复杂等问题。因此，有学者提出ECC的无筋加固。ECC薄层加固可节省工期（施工工艺简单，工期约为传统面层加固的1/3～1/2）；大大降低了侵占面积，面层厚度仅为10～30毫米，是传统面层加固的1/3；无需穿透墙体拉结，大大减少对原结构的损伤；不存在传统加固开裂导致的钢筋外露、锈蚀等问题，可大大延长使用寿命。但是这一技术需要确定正确的设计原则和技术指标，因此余江滔团队通过系列实验和分析，完成了这一技术的验证，并以同济大学为主编单位，将其纳入上海、江苏、湖北等地方标准及行业标准。

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图2 无筋少筋加固——振动台试验

第三个领域，无筋/少筋连接用于结构连续构造。余江滔说，实验结果显示ECC自身具有抗拉、压、弯的本领，可很好地与钢筋并肩作战，降低钢筋独撑疲劳的局面，二者一起延年益寿。在相同弯曲应力下，ECC试件的疲劳寿命远大于普通混凝土；相同配筋的ECC桥面连续构造的疲劳寿命提升了3倍以上；少筋ECC桥面连续构造的疲劳寿命同样超过200万次。“也就是说，ECC与钢筋齐心协力、同舟共济抗御外力，这和我们同济的精神风貌相符。”余江滔说，试想未来，我们有可能通过ECC的连续构造取代现有的桥面伸缩缝，实现公里级的无缝桥面，开车时一马平川，原来会砰砰作响的桥面、道面将会变得丝滑、安静，驾乘体验自然也就十分舒适了。

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图3 无筋少筋连接——实验试件示意图

第四个领域，3D打印。有工程常识的人知道，混凝土3D打印会有混凝土脆性、分层堆叠工艺带来的力学性能弱化，各类加筋（钢筋）方法与3D打印的施工便利性冲突等问题。余江滔说，比如建一栋房子，先要订购、加工钢筋，再进行现场混凝土模板支护、钢筋定位和绑扎，然后再完成浇筑养护工作，即使是3D打印房屋，也要打印钢筋、布置微筋，建造过程很麻烦。采用ECC无筋打印，只需根据性能需求，设定材料和构件的承载力需求，包括抗拉、抗弯强度及拉伸延性等，机器就可以按要求出活了。在试验室，笔者看到一台高高立体钢框（他们称为“龙门架”）中，驱动电机、移动轨道、打印平台、控制系统、挤出系统、挤出电机、预搅拌叶、螺杆泵、打印喷头，一应俱全，只见这个外形很“村野”的大家伙自顾自填料、成型，一会儿就出来一块长长扁扁、中间带有大波浪纹的横梁和大板，团队称为无筋空腔梁。下方的照片里，两个小伙子抬着一块仿生蜂窝六角形孔洞的无筋板，开心地笑着，样子很是可爱。

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图4 无筋3D打印——仿生蜂窝六角形孔洞的无筋板

月球上搞建设，又如何？

外星建造，啥意思？就是去地外星球造房子。建造月球基地，是指人类在月球上建立的生活与工作区域。这是全人类的梦想。欧洲航天局、美国航空航天局等多个国际组织正在为此努力，中国也计划在2035年前完成月球科研站的建设。月球基地如何建造，这需要头脑风暴。“长征-5号运载火箭起飞重量800吨，登月载荷不到2吨。运载1公斤载荷需要耗费10～20万美元，折合人民币120多万，比等重量的黄金还要贵得多。显然，大量的建筑材料不可能从地球运到月球。”余江滔说，目前，科学家和工程师提出了各种营造方法，聚光烧结、3D打印、熔岩管道......这让人脑洞大开。同济团队的计划是：就地取材+机器人砌筑+3D打印。在月球表面采取、切割岩石，通过机器人砌筑和紧固砌块，通过3D打印灰缝来实现仿贝壳珍珠母的仿生建造等等，这也许是一种对地球材料依赖更小、效率更高的一种方案，但这需要研发面向未来的建造科技。