鄧明科：高延性混凝土為土木工程領(lǐng)域注入新活力

王涵

專家簡介：

鄧明科，西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，混凝土結(jié)構(gòu)教研室副主任，結(jié)構(gòu)工程學(xué)科帶頭人。同時(shí)，兼任中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會砌體結(jié)構(gòu)專業(yè)委員會委員、中國土木工程學(xué)會纖維混凝土專業(yè)委員會委員，2015年度陜西省青年科技新星，主要研究方向?yàn)樾滦筒牧吓c新型結(jié)構(gòu)體系。累計(jì)發(fā)表科研論文60余篇，獲得已授權(quán)國家發(fā)明專利20項(xiàng)，實(shí)用新型專利20項(xiàng)，其中10項(xiàng)發(fā)明專利已實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用。

混凝土材料是世界上研究最多、應(yīng)用最廣、其他材料所不能替代的主要土木工程材料之一。高性能混凝土具有高強(qiáng)度、高耐久性、高流動性及高抗?jié)B性等優(yōu)點(diǎn)，是目前混凝土技術(shù)的一個(gè)重要發(fā)展方向。但混凝土的抗壓強(qiáng)度提高以后，其脆性增大、抗拉和抗剪強(qiáng)度相對較低，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)延性降低，使混凝土材料的應(yīng)用范圍受到很大限制。

如何解決混凝土材料的脆性？西安建筑科技大學(xué)土木工程學(xué)院鄧明科教授多年來一直致力于這一問題，深入鉆研。在其和團(tuán)隊(duì)的不懈努力下，如今，這一難題終于得到了解決。2014年以來，中央電視臺CCTV10頻道《探索·發(fā)現(xiàn)》欄目、陜西電視臺、西安電視臺、陜西日報(bào)、西安日報(bào)等先后對鄧明科團(tuán)隊(duì)在高延性混凝土研發(fā)與推廣應(yīng)用方面取得的成果進(jìn)行了跟蹤報(bào)道。

高延性混凝土：利用材料延性提高結(jié)構(gòu)抗震性能

高延性水泥基復(fù)合材料（ECC）最早由美國Michigan大學(xué)Victor. C. Li教授在1992年提出，配制單位體積的ECC，約50%的水泥可用粉煤灰、硅灰等工業(yè)廢料取代。經(jīng)纖維與活性摻合料有效復(fù)合，不僅強(qiáng)化了混凝土材料的各項(xiàng)關(guān)鍵性能，還大幅度地提高了結(jié)構(gòu)的耐久性和耐損傷能力，對節(jié)約資源和能源，保護(hù)生態(tài)環(huán)境具有重要意義。

2008年汶川大地震，年僅29歲的鄧明科作為建設(shè)部第一批派往重災(zāi)區(qū)的抗震救災(zāi)專家組成員之一，現(xiàn)場目睹了成千上萬間房屋倒塌破壞所引起的巨大生命與財(cái)產(chǎn)損失。之后，他想到了通過材料性能提升，利用混凝土自身的延性來改善結(jié)構(gòu)抗震性能，并立即開始這項(xiàng)研究。

歷經(jīng)8年的不懈努力，鄧明科和其團(tuán)隊(duì)利用陜西當(dāng)?shù)氐牟牧腺Y源，經(jīng)過數(shù)百次材料試配、纖維界面改性和設(shè)計(jì)參數(shù)調(diào)整，成功配制出具有高強(qiáng)度、高韌性、高抗裂性能和高耐損傷能力的高延性混凝土，并系統(tǒng)開展了高延性混凝土抗壓韌性、彎曲韌性、抗壓強(qiáng)度和尺寸效應(yīng)的試驗(yàn)研究。

為實(shí)現(xiàn)高延性混凝土制備技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈整合，提高科研工作效率，并快速實(shí)現(xiàn)成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用，鄧明科與國內(nèi)相關(guān)企業(yè)合作研發(fā)，率先攻克了高延性混凝土專用纖維的國產(chǎn)化制備關(guān)鍵技術(shù)。在此基礎(chǔ)上，從材料到構(gòu)件再到結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)、全面地開展了高延性混凝土材料及構(gòu)件的基本性能研究，將高延性混凝土用于剪力墻連梁、底部塑性鉸區(qū)、轉(zhuǎn)換大梁、梁柱節(jié)點(diǎn)等結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位，并在高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)方面取得了突破性研究成果。

地震災(zāi)害是人類面臨的最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一，汶川地震以后發(fā)生的一系列破壞性地震（如2010年智利大地震、2011年東日本大地震）均造成了慘重的人員傷亡和巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高建筑物的抗震能力、減輕地震災(zāi)害再次引起工程界的關(guān)注。鄧明科介紹道，地震作用下，由于混凝土材料的脆性以及變形能力不足，導(dǎo)致鋼筋混凝土框架柱、連梁、剪力墻等構(gòu)件容易發(fā)生剪切破壞，會造成結(jié)構(gòu)嚴(yán)重?fù)p壞甚至發(fā)生倒塌。

于是，鄧明科提出了“高延性混凝土構(gòu)件抗剪機(jī)理與設(shè)計(jì)方法研究”課題。從材料延性出發(fā)，利用高延性混凝土的高韌性和高耐損傷能力，針對高延性混凝土“梁、柱、剪力墻”的破壞形態(tài)、延性剪切破壞機(jī)理、受剪承載力、非線性分析等關(guān)鍵問題，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)研究和理論分析，為高延性混凝土在抗震結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用和震后免修復(fù)設(shè)計(jì)提供了科學(xué)依據(jù)。

在該項(xiàng)目中，鄧明科課題組首次提出了基于材料延性的高延性混凝土構(gòu)件抗剪承載力計(jì)算方法、非線性分析模型、延性剪切破壞模式和基于材料延性的剪切變形能力設(shè)計(jì)方法等，取得了多項(xiàng)創(chuàng)新和突破。

加固技術(shù)：實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首例唐墓壁畫整體搬遷

2014年，位于西安郭新莊的考古重大發(fā)現(xiàn)——唐代名相韓休夫婦合葬墓，內(nèi)有朱雀圖、山水圖和樂舞圖三幅壁畫，是迄今為止發(fā)現(xiàn)的唯一一幅唐代大幅獨(dú)屏山水壁畫。為對壁畫更好地進(jìn)行保護(hù)研究，陜西歷史博物館決定對壁畫進(jìn)行整體搬遷。而長期從事高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)理論與方法研究的鄧明科，正是韓休墓壁畫加固工作的總負(fù)責(zé)人。

利用研發(fā)的“高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)”，從方案設(shè)計(jì)、現(xiàn)場施工、整體吊裝到運(yùn)輸，鄧明科率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對每一個(gè)步驟都嚴(yán)格把關(guān)，確保文物搬遷項(xiàng)目順利進(jìn)行，真正做到了“萬無一失”，實(shí)現(xiàn)了國內(nèi)首例唐墓壁畫整體搬遷。鄧明科介紹說：“新型加固材料形似水泥，唐墓壁畫松散磚塊間的縫隙用這種高延性混凝土進(jìn)行填充和加固，就具備了基本的整體性，可以保證壁畫在運(yùn)輸和搬運(yùn)過程中，不受任何損害。”

砌體結(jié)構(gòu)在我國應(yīng)用廣泛，歷史久遠(yuǎn)，是目前既有結(jié)構(gòu)的主要形式之一，在我國城鄉(xiāng)和村鎮(zhèn)建筑中占有重要的地位。但由于砌體的抗拉強(qiáng)度低、抗裂性能差以及材料自身的脆性，導(dǎo)致砌體結(jié)構(gòu)的整體性較差，在歷次大地震中破壞嚴(yán)重，甚至發(fā)生倒塌。2008年汶川地震中，映秀鎮(zhèn)、北川縣、綿竹縣和都江堰等高烈度區(qū)的中小學(xué)砌體結(jié)構(gòu)房屋大量損毀，造成了較大人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能意義重大。

鄧明科介紹道，采用高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)，可改善傳統(tǒng)砌體結(jié)構(gòu)容易開裂、整體性能差的特點(diǎn)，提高砌體結(jié)構(gòu)的抗震性能，并可用于高烈度區(qū)砌體結(jié)構(gòu)房屋抗震設(shè)計(jì)，還可用于既有砌體結(jié)構(gòu)房屋的抗震加固與修復(fù)，具有重要的理論意義與推廣應(yīng)用價(jià)值。另外，與現(xiàn)有加固方法相比，鄧明科提出的加固方法施工方便，節(jié)省工期，加固費(fèi)用較低，性價(jià)比高，有著巨大的市場前景、經(jīng)濟(jì)及社會效益。

目前，鄧明科和團(tuán)隊(duì)正在致力于將“高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)”研究成果在全國中小學(xué)校舍加固、危舊房改造和文物保護(hù)與修繕等方面全面推廣應(yīng)用。

走“產(chǎn)學(xué)研一體化”道路

近幾年，鄧明科課題組系統(tǒng)開展了高延性混凝土材料、構(gòu)件、結(jié)構(gòu)方面的研究工作，在高延性混凝土研究領(lǐng)域獲得國家發(fā)明專利20項(xiàng)，實(shí)用新型專利20項(xiàng)，發(fā)表相關(guān)論文30多篇。

如何將創(chuàng)新科研成果就地轉(zhuǎn)化，將產(chǎn)品推向市場？目前，鄧明科課題組在西安碑林環(huán)大學(xué)創(chuàng)新產(chǎn)業(yè)帶的支持下，正致力于將高延性混凝土方面取得的多項(xiàng)科研成果轉(zhuǎn)化為生產(chǎn)力，實(shí)現(xiàn)由試驗(yàn)研究到工程應(yīng)用的產(chǎn)學(xué)研一體化，使高校創(chuàng)新成果與產(chǎn)業(yè)發(fā)展“無縫對接”，以促進(jìn)土木工程領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步。他研發(fā)的新材料已成功應(yīng)用在60多所校舍的加固改造中，大大提高了中小學(xué)校舍的安全性。至今，他研發(fā)的新材料和“高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)技術(shù)”已成功應(yīng)用于西安市長安區(qū)、藍(lán)田、周至、高陵、咸陽和寶雞、延安等200余棟中小學(xué)校舍的抗震加固，以及辦公樓、住宅樓、商住樓的加固，“未來，這項(xiàng)技術(shù)還將應(yīng)用在交通、水利等多個(gè)領(lǐng)域”。

2015年起，鄧明科教授團(tuán)隊(duì)在“高延性混凝土研發(fā)與推廣應(yīng)用”方面取得的科研成果，已通過校企聯(lián)合方式與陜西、安徽、北京等10余個(gè)省市的設(shè)計(jì)院和施工單位合作，在中小學(xué)校舍加固、危舊房改造和文物保護(hù)與修繕等方面進(jìn)行全面推廣應(yīng)用。

至今，鄧明科教授已參與國內(nèi)外學(xué)術(shù)交流會30余次，并與國內(nèi)相關(guān)企業(yè)密切合作進(jìn)行產(chǎn)業(yè)鏈整合，為青年科技工作者實(shí)現(xiàn)科技成果轉(zhuǎn)化應(yīng)用和產(chǎn)學(xué)研一體化樹立了典范。

2015年12月，鄧明科負(fù)責(zé)的科研項(xiàng)目“高延性混凝土加固砌體結(jié)構(gòu)基本理論與推廣應(yīng)用”獲得了西安建筑科技大學(xué)科技進(jìn)步獎(jiǎng)一等獎(jiǎng)。一路堅(jiān)持，一路突破，一路創(chuàng)新，鄧明科在自己的科研領(lǐng)域獲得了驕人的成績和應(yīng)得的榮譽(yù)。但他從未止步，利用新材料和新技術(shù)創(chuàng)新，“為土木工程領(lǐng)域注入新的活力”是他的終極理想。路在，腳步依舊前行……