目前混凝土研究的熱點是什麼？

01-11

我是在校大學生，跟著老師做項目，他讓我找混凝土研究的熱點。。。

首先，在一個科研團隊里PI，也就是你的老師，應該是最了解科研前線動態的。我很難理解一個老師為什麼要讓自己的學生去尋找科研熱點，當然，如果他給你一些關鍵詞，讓你查找學習文獻是另一回事。

因為從事相關領域的研究，基本比較重要的混凝土領域的科研期刊，像CCR(Cement and Concrete Research)，CCC(Cement Concrete Composites)，CBM(Construction and Building Materials) 我都會時不時去瀏覽一下。我簡單說一下我從這些期刊里獲取的信息：

低碳

在傳統工業中（比如機械，土木），工業產品的第一功能屬性已經被開發的差不多了，附件新的具有市場前景的功能往往需要基礎科學領域有重大的突破。就混凝土製品來說，最近幾十年當中這樣的突破是幾乎沒有的。所以低碳被提到了很高的高度。水泥的生產大概佔全世界碳排放的8-10%，對於單個工業產品說，是很大的一塊。發達國家越來越重視低碳，相關的科研經費也很多，他們的研究也基本引領全世界。

但是怎麼實現低碳混凝土，就很多說法了。大概可以總結成以下兩種方式吧：

1. 完全水泥替代品：粉煤灰，礦渣代替水泥的研究已經很多了，成熟的工業製品也到處都是，已經算不上科研熱點了。但是這些工業廢料不能完全替代水泥。最近研究比較多得完全水泥代替品是活性氧化鎂(Reactive MgO)，在遇水以後變成氫氧化鎂(Mg(OH)2)，然後被空氣中的二氧化碳碳化成有強度的碳酸鎂(MgCO3)。因為活性氧化鎂的生產大概需要800度的燒結，遠遠低於水泥的生產，而且在硬化過程中自己能吸收大氣中的二氧化碳，所以有很好的減碳效應。除此以外，如果用高鹼性的溶液來水化（其實這個詞不太準確）粉煤灰礦渣，在50-70度的溫度中養護，硬化以後的材料也會有很好的強度。這種材料叫Geopolymer，完全不用水泥。最近，焚燒垃圾也被用來研究看能不能代替水泥，好像進展還挺快的。

關於reactive MgO可以看看這個

Unluer C, Al-Tabbaa A. Impact of hydrated magnesium carbonate additives on the carbonation of reactive MgO cements[J]. Cement and Concrete Research, 2013, 54: 87-97.

關於geopolymer可以看看這個

Duxson P, Fernández-Jiménez A, Provis J L, et al. Geopolymer technology: the current state of the art[J]. Journal of Materials Science, 2007, 42(9): 2917-2933.

關於焚燒垃圾的研究可以看看這個

Song Y, Li B, Yang E H, et al. Feasibility study on utilization of municipal solid waste incineration bottom ash as aerating agent for the production of autoclaved aerated concrete[J]. Cement and Concrete Composites, 2015, 56: 51-58.

2. 混凝土結構的耐久性: 如果能用的久一點，結構維修和重修中的混凝土就能省下不少。但是耐久性是一個相對籠統的詞，對不同的建築結構，導致結構失效的機理各不相同。比如公路，疲勞荷載和溫度效應是裂縫擴展的主要原因；比如海堤，氯離子對混凝土內鋼筋的腐蝕是主要原因。這些問題都可以通過良好的結構設計來緩解，但是材料本身的性能也很重要。就拿鋼筋腐蝕來說吧，過去的研究都集中在怎麼降低海水在混凝土基體的遷移速度，但後來發現其實一旦有了裂縫，混凝土基體再密實都沒有用，所以現在大家很關心裂縫的控制，其中有一個很大的研究分支就是能自癒合的混凝土。

其實只要有雨水，水泥製品本來就有自癒合的能力：基體中Ca2+離子被水溶解帶到裂縫處，然後被空氣中的二氧化碳碳化形成碳酸鈣(CaCO3)修補裂縫。但是，普通混凝土中的裂縫都太寬了，其中的PH值不適合生成碳酸鈣。所以最近很多人在研究怎麼用纖維來控制裂縫寬度。當然，像能生成碳酸鈣的細菌，能遇空氣硬化的化工製品，也都被放到混凝土裡，以增加自癒合的效果。

關於自癒合混凝土可以看看這個

Li V C, Herbert E. Robust self-healing concrete for sustainable infrastructure[J]. Journal of Advanced Concrete Technology, 2012, 10(6): 207-218.

混凝土的耐久性是一個很複雜的事。溫度，濕度，離子濃度，荷載還有其他很多原因的耦合作用是很難量化的。其中有很多可以研究的點，但不是每一個點都能立竿見影帶來減碳效果的。

新功能

現在還有一個很重要的趨勢就是忘混凝土裡添加新功能，就是所謂的Smart Concrete. 我所知道的又以下幾條

1. 自清潔(Self-cleaning): 在混凝土中加入二氧化鈦，能吸收汽車尾氣中的一些有害物質

2. 自監測(Self-sensing)：在混凝土中加入導電的纖維，通過測量電阻率的變化，能夠了解裂縫的擴展情況

3. 溫度自測(Self thermo-sensing)：利用混凝土本身的塞貝克效應，來自測混凝土的溫差

相關文獻直接搜關鍵詞+concrete都應該能找到的就不列了。

以上講的都是比較中游的研究，就是怎麼利用材料工程和物理化學知識來研發新的混凝土。比較上游的研究主要集中在水泥化學上，當然新加入的成分的化學物理屬性也會有人研究；比較下游的就是解決利用新研發混凝土解決實際結構中的問題，比如說衝擊荷載啊，工作性啊等等等等。這些領域不是我的專長，不太有發言權。

學生做老師安排的任務，真不應該到知乎上來問

混凝土的研究熱點不是一個問題，深究起來，得看上百十篇文獻寫個綜述才能大概討論一下。

以上各位說的很全面，但就我理解，高性能混凝土早幾年確實是熱點，現在高強、高韌的技術已經很成熟了；工作性能方面，自密實、凝結時間、和易性早就不是問題，凝結時間從5分鐘到幾小時都可以精確控制。

從材料角度來看，水泥從原來單一的硅酸鹽水泥發展到鋁酸鹽類水泥、硫鋁酸鹽水泥和磷酸鹽水泥等，骨料由原來單一的石灰石到現在加入纖維、橡膠粉、礦渣、樹脂、乳化瀝青、聚合物乳液等等材料，主要是從廢物利用和改善性能考慮的，所謂複合材料是也，但其實水泥基複合材料的性能往往是顧此失彼，韌性提高，強度下降；模量升高，結構穩定度下降，折騰了這麼些年，其實沒什麼breakthrough，其意義在於滿足不同條件下對混凝土的性能要求。

如果混凝土依舊保持以水泥為結合料這種形式，不太可能會有更大的突破。最前沿的熱點應該是從材料角度出發探索未來混凝土的形式、材料甚至是定義。這當然還很遙遠。

目前來看，混凝土理想的性能正在逐步實現，同時也在考慮，混凝土僅僅具有承載力和耐久性就足夠了嗎？所以當下的熱點應該放在混凝土的功能性，舉幾個例子：（1）如何實現混凝土力學性能衰減的自監測？（2）如何考慮抑制結冰路面鋪裝的材料組成？（3）怎樣提高道路混凝土微波加熱除冰的速率？（4）如何提高建築混凝土屏蔽電磁波、聲波能力？（5）如何僅依靠路面實現測速，測載功能。（6）怎樣實現路面對車輛尾氣的吸收作用

你試著幻象一下，家裡的牆壁根據空氣中的二氧化碳含量不同釋放出不同量的氧氣，吸附空氣中的有害物質，同時它根據需要可以隔音、隔絕電磁波，還可以根據溫度濕度自行決定自身的透氣性、導熱性，建築的外牆還具有轉化太陽能為電能的能力，為公共照明提供電力。你出門，腳下的路夏天不會很燙、不會有柏油味兒，冬天不會很涼，不會結冰；開裂了會自己癒合，還能吸收汽車尾氣，同時還有自清潔能力，沒有灰塵、沒有油膩，就跟剛下過雨一般乾淨。這是一個什麼樣的世界？這就是熱點。

科研上，或許是高性能、低污染、而且還能廢物利用;生產上，絕對是降降降降降降。。。。成本

筆者之前正好寫了篇文章可以分享給大家，ConFlexPave，水泥界的硬漢有個柔軟芯

近日來自新加坡南洋理工大學—裕廊集團工業基礎設施創新研究中心（NTU-JTC I3C）的科學家們發明了一種新的混凝土並命名為ConFlexPave（以下簡稱CFP），相比於體積大，在張力作用下易脆性斷裂的普通混凝土，CFP可彎曲，更堅固且使用壽命更長。

其貌不揚，但好使才是關鍵，畢竟研發人家的專家說了，它很強壯、很柔韌、使用時間很長，很持久…

有的蜂友看到這則消息跟小編說，不對啊，這CFP要不要鋼筋啊，跟鋼筋混凝土還是混凝土做的對比啊，憑啥把自己說的那麼棒？！

畢竟混凝土是目前世界上應用最廣泛的人造建築材料，是世界上最偉大的發明之一啊。那麼，混凝土是咋來的？

大家都知道，水泥和混凝土密不可分，簡而言之水泥加上水後就像膠水一樣~把沙子石頭粘緊就叫混凝土。

水泥的歷史可追溯到古羅馬人在建築工程中使用的石灰和火山灰的混合物。1824年英國人阿斯普丁用石灰石和粘土燒製成水泥，命名為波特蘭水泥。

但是鋼筋混凝土始祖既不是建築業的科學家，也不是著名的工程師，而是一個和建築不搭界的園藝師。他就是法國的約瑟夫·莫尼哀，就是這位慈祥的老花匠

至於發現過程，謠傳靈感來源於植物的命根子…根子……

老人家一天到晚跟花盆打交道，最初，花盆都是由一些普通的泥土和低級陶土燒制而成，也就是常見的瓦盆。這些花盆不堅固，一碰就破。

那時候，水泥開始作為建築材料使用，人們用水泥加沙子製成混凝土，蓋樓房、修橋樑。混凝土有良好的黏結性，變硬固化後又具有很高的強度，

　　莫尼哀老大爺決定自己想辦法改進花盆。便用水泥加上沙子製造了混凝土花盆。混凝土花盆果然非常堅固，尤其是不怕壓。但混凝土花盆和瓦盆一樣也有缺點，就是經不起拉伸和衝擊，有時，對花木進行鬆土和施肥都會導致花盆破碎。

高潮來了……

有一次，老大爺又摔碎了一個花盆。不過，他有了一個發現：花盆的碎片雖然七零八落，可花盆的泥土卻抱成一團，仍然保持著原狀，好像比水泥還要結實。莫尼哀仔細觀察，原來是植物的根系在泥土中蜿蜒盤繞，相互勾連，使鬆散的泥土抱成了堅實的一團。

於是當即立馬用細小的鋼筋編成花盆的形狀，然後在鋼筋里外兩面都塗抹上水泥砂漿，乾燥後，發現花盆果然抗壓又抗拉。

不錯，這很像被蘋果砸了的牛頓。

在1867年莫尼哀老大爺獲得專利權。

1875年，在一些設計師的幫助下，莫尼哀主持建造了巴黎，也是世界上第一座鋼筋混凝土大橋。

這果然是不想做建築師的花匠不是好大爺的套路。

科普完畢，不過你可能想說……

說好的分析CFP新型材料呢……表著急…高潮一般在後面……

莫尼哀老大爺發明了鋼筋混凝土後可能沒想到，這麼多年以後一直以來鋼筋混凝土最佳CP的存在關係可能就要被打破咯。

誇了半天我們來說說缺點。鋼筋混凝土也有不可忽視的缺點存在。

鋼筋鏽蝕與混凝土的凍融循環會對混凝土的結構造成損傷。

凍融循環簡單來說就是建築結構件表面和內部所含水分的凍結和融化的交替出現的現象，凍融循環可以造成建築構造內部的嚴重風化，失去耐久性。

最致命的，於高溫條件下，混凝土用的水泥石中的氫氧化鈣會分解。隨著水分的迅速蒸發，其強度會有所降低，甚至完全喪失。

然後就會：嘎嘣脆

這就是大家說的

熱炸了！馬路熱炸了！！

新聞太多，真的不用列舉~

壞了吧，心疼工人哥哥們，混凝土這玩意自重大、費工、費模板周期長、施工受季節影響、補強修復困難。

最糟心的是…每逢修路，堵堵堵…各位應該深有體會…

每天上班，堵，放假，堵…60%的道路擁堵來源於道路問題。

啊~五環，你比四環堵一環，如果有一天堵到了7環，你比五環堵兩環~

你還覺得跟你沒關係嗎……

新材料的研發，勢在必行~我不想每天堵在回家的道路上。

說回ConFlexPave…………

南洋理工大學教授兼NTU-JTC I3C臨時主任Chu Jian說，「我們開發了的這種新的混凝土，可以大大降低預製混凝土路面板的厚度和重量，從而可以快速地更換磨損的混凝土板。」

工人哥哥們放心了，以前一天才能幹完的活，兩小時搞定。

NTU-JTC I3C主任Koh Chwee說：「這項技術的發明不僅減少了建築行業施工現場的施工人員數量，保障了施工人員的安全，減少了施工時間，還能減少路面重鋪和建設工程施工帶給用戶的不便。」

「而比人類頭髮更細的超細纖維分布於整塊混凝土板來分散負載，從而使得新型混凝土堅固猶如金屬，而在彎曲力作用下的強度為常規混凝土的兩倍以上。」 Yang教授說道。

其實纖維混凝土已經在現實生活中產生應用。CFP這種新材料應該是一種延展和提升。這種由聚合物超細纖維和特定類型的硬質材料製成，既保留了混凝土原存的高抗壓性的特點，又能大大增加其抗裂性能、韌性、及抗滲性、完全符合現代高新建築工程的要求。

人家科學家可是秉著給社會省成本，給工人省心力，環保高科技有木有？

人家研究中心也說了，ConFlexPave在南洋理工大學實驗室試驗成功，並在未來的三年內擴大生產規模，在JTC工業區和NTU校園內合適的位置進行進一步的測試。

至於大家說的能否取代鋼筋混凝土，是否能解決實際問題，還有待驗證，畢竟理想很豐滿，現實很骨感。

輕、易運輸，高韌性且不易斷裂，低污染的混凝土必然是未來趨勢咯

研究的方向不明朗，不過還是蠻期待混凝土的新技術出現。

國內不清楚啥情況，日本行業內的大趨勢是混凝土的維護，維護不光是後期、在剛澆築完，，硬度起來以後就可以先期維護了！

日本現在面臨的問題、國內大概在10年以內也會集中爆發，舉例來說：建成50多年的東京的首都高速，使用量最多的是鋼材、其次才是混凝土，但是混凝土劣化的情況明顯比鋼材方面嚴重的多，日本輿論一度爭論到底是應該把現有的高速炸掉重建還是勉強維持，行業專家的意見是長遠來看、炸掉重建省錢！安全！但是礙於現實情況、日本政府沒錢！東京地太小，重建期間沒有可以替代的路線使用！最後結果當然是現實情況優先，每年撥巨資維護，拆東牆補西牆！據說10年的維護費用就可以重建一個首都高速了！但是日本政府也沒有其他選擇！

本人現在也在做相關工作、負責中國國內的推廣工作！

開學第一次組會，大boss說我們研一有三大任務，一是上課，二是了解課題組的成果，之前做了哪些方面的工作，現在師兄師姐都在幹什麼，進行到哪一步以及現在遇到的瓶頸是什麼？甚至參與其中；三是多看文獻，「你們現在看的文獻少的可憐」老闆這樣說我們。

成型的時間和強度吧？環保現在肯定是熱點了不要多說了，成本問題啊，還有運用混合材料這些方面吧

地聚物混凝土

高性能，綠色

低碳

混凝土結構的耐久性

1. 自清潔: 在混凝土中加入二氧化鈦，能吸收汽車尾氣中的一些有害物質

2. 自監測：在混凝土中加入導電的纖維，通過測量電阻率的變化，能夠了解裂縫的擴展情況

3. 溫度自測：利用混凝土本身的塞貝克效應，來自測混凝土的溫差。

自密實混凝土(SelfCompactingConcrete)，也有人稱為高流態混凝土(HighlyFluidizedConcrete)，指混凝土拌合物主要靠自重，不需要振搗即可充滿模型和包裹鋼筋，屬於高性能混凝土的一種。

　　該混凝土流動性好，具有良好的施工性能和填充性能，而且骨料不離析，混凝土硬化後具有良好的力學性能和耐久性。

　　自密實混凝土正是有利於保證質量、加快施工進度、提高建設效益，解決野外困難工程的關鍵施工技術。

　　以公路隧道混凝土襯砌結構為例，它既是承載圍岩壓力的結構，又是防水的最後一道防線，設計上必須既滿足強度和抗滲要求，採用普通混凝土施工時必須進行充分振搗以保證結構的整體性，但是，由於壁薄、配筋密實、形狀複雜及施工空間的限制，非常容易漏振和過振，從而產生如表面蜂窩麻面、露筋、折皺及外觀顏色欠佳等質量病害，造成耐久性和安全性隱患。

　　如果採用自密實混凝土，不僅可提高混凝土密實性解決質量通病，還能節約振搗設備和能源、節省澆築時間，降低工作噪音、改善工作環境，保障施工的進度和效率，是有效解決上述施工難題、提高建築結構的整體質量水平的先進技術。

　　自密實混凝土特別適用於：
　　1）澆築量大、澆築深度、高度大的工程結構；
　　2）形體複雜、配筋密集、薄壁、鋼管混凝土等受施工操作空間限制的工程結構；
　　3）工程進度緊、嚴格環境雜訊限制、或普通混凝土無法實現的工程結構。

　　因此，國外在隧道工程、水工大壩、鐵路設施、地下結構等領域都有非常廣泛的應用，如日本、美國、英國、德國、加拿大等國家自密實混凝土用量已達總量的30％～40%，在許多重大工程和標誌性工程都取得良好的技術經濟效果。

　　自密實混凝土所佔比重已經成為衡量一個國家混凝土行業技術水平高低的重要標誌，我國研究工作尚屬於起步階段，目前年用量大約不到1%。

中華人民共和國住房和城鄉建設部 - 住房城鄉建設部工業和信息化部關於推廣應用高性能混凝土的若干意見

混凝土永遠的熱點就是其缺點，裂縫，低抗拉抗彎，相關數學模型及理論，現場高流動性要求及施工養護問題。混凝土是個複雜複合材料，生產的鮮拌混凝土是半成品，施工是極其重要的過程，不然試驗做得好，施工不行，都是燃並軟。說點題外話，熱點不一定是好事。當年材料科學基礎老師研究一種合金低溫超導，當時那類合金是熱點，結果研究了十多年，全世界也沒任何突破，黃金時間，可惜。在熱點面前也要保持理智，比如水泥替代品，氧化鎂這種就是實驗室玩玩寫寫論文而已，實際應用不現實，資源分布、開採成本和碳酸鈣類的礦石沒法比。

建議看看東大張雲升教授的研究方向

絕對的業界大牛

水平杠杠的

受益匪淺~

綠色環保材料混凝土，智能混凝土，高強等高性能混凝土，複合材料混凝土等等...

新材料方面，與材料學科相結合的相關領域，另外預應力方面也有些方向值得研究。

不過在校生還是看老師的研究方向，然後選一個小課題研究吧，看看老師手頭有什麼項目。

查下繆昌文院士的研究方向，差不多應該就算混凝土的熱點了吧。

使用性能及類型，不同工程部位或不同建築物使用不同的混凝土，強度，節能環保，配合比，坍落度，抗滲性能。

低碳