挑戰(zhàn)特殊化
——長(zhǎng)安大學(xué)副教授王旭昊的非尋?？蒲兄?/h1>

2020-11-17 03:28:20范佳樂(lè)

科學(xué)中國(guó)人訂閱 2020年19期 收藏

關(guān)鍵詞：混凝土研究

范佳樂(lè)

入職美國(guó)國(guó)家混凝土路面科研中心肖像照

1999年，號(hào)稱“20世紀(jì)中國(guó)第一”的江陰長(zhǎng)江大橋竣工通車。次年，橋面出現(xiàn)了明顯損壞，引發(fā)一片嘩然。調(diào)查結(jié)果顯示，在引用國(guó)外技術(shù)時(shí)，氣候差異不慎被忽略?！爸袊?guó)夏季最高氣溫明顯高于英國(guó)”，高溫病害——作為橋梁路面殺手之一被揪了出來(lái)。

不僅是高溫，在旱區(qū)、寒區(qū)、鹽蝕區(qū)等這些特殊地帶，混凝土打造的路面和橋梁都十分“嬌貴”。也由于這些原因，橋梁、道路在建造之初就有了因地制宜的規(guī)則，道路材料、施工和結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺一不可。長(zhǎng)安大學(xué)副教授王旭昊正是進(jìn)行這項(xiàng)定制服務(wù)的人，研究新材料配合比也好，琢磨混凝土的破壞機(jī)制也好，挑戰(zhàn)、解決特殊地區(qū)與環(huán)境下的交通基礎(chǔ)設(shè)施難題，他一頭扎進(jìn)去就是10多年。

機(jī)會(huì)面前，不猶豫

2005年，因高考成績(jī)沒有達(dá)到自己的期望，王旭昊還有些迷茫。他機(jī)緣巧合進(jìn)入蘭州交通大學(xué)土木工程專業(yè)，對(duì)要學(xué)什么、做什么，一無(wú)所知。那時(shí)候，土木工程專業(yè)在外界看來(lái)就是“造房子”，畢業(yè)生也大多會(huì)入行工程管理，被戲稱為“包工頭”。

就業(yè)，王旭昊當(dāng)時(shí)并沒考慮那么長(zhǎng)遠(yuǎn)。他正忙著各項(xiàng)考試，“學(xué)校恰好和美國(guó)愛荷華州立大學(xué)有一個(gè)2+2的合作項(xiàng)目。我英語(yǔ)還不錯(cuò)，想著既然有機(jī)會(huì)就走出去看看?！睕]承想，這一走就是11個(gè)年頭。

在愛荷華州立大學(xué)，王旭昊對(duì)土木工程材料產(chǎn)生了濃厚的興趣，并將其確定為日后的研究方向。他一口氣攻讀了碩士、博士學(xué)位，想要在這個(gè)方向上挖出更多對(duì)社會(huì)發(fā)展有價(jià)值的內(nèi)容。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，王旭昊的研究對(duì)象主要是在交通基礎(chǔ)設(shè)施中使用的水泥混凝土，尤其是它們?cè)诟邷?、高寒等特殊地區(qū)的表現(xiàn)?！澳菚?huì)兒，最集中的研究就是水泥混凝土的滑模攤鋪?！边@是一種直接影響路面質(zhì)量的技術(shù)方法，普遍應(yīng)用于高等公路的修建當(dāng)中。早在20世紀(jì)四五十年代，美國(guó)大興公路系統(tǒng)建設(shè)的時(shí)候，滑模攤鋪水泥混凝土就顯示出舉足輕重的地位。時(shí)至今日，美國(guó)的路面材料只要用水泥混凝土，基本上都采取了滑模攤鋪的方式。整個(gè)施工過(guò)程的用料配合比、設(shè)計(jì)，包括一些新型材料的應(yīng)用等，依舊有很多東西值得探索。

讓道路變得更長(zhǎng)壽是持續(xù)探索的目的之一?！罢驹陬I(lǐng)域的角度，我覺得我國(guó)在基礎(chǔ)建設(shè)這一塊非常突出，可能隨便建一座小橋，放在國(guó)外都是大橋?！边@也就意味著，被譽(yù)為“基建狂魔”的中國(guó)擁有成熟的技術(shù)方法、體系。但是，王旭昊在肯定體量的同時(shí)，也指出近幾十年國(guó)內(nèi)道路交通快速發(fā)展存在的問(wèn)題。他表示，耐久性是道路交通繞不開的話題?！坝眯录夹g(shù)、新材料鋪設(shè)一座橋固然很好，但怎么保證它70年不壞，這是一件很難的事情。在美國(guó)，很多材料、方法、測(cè)試手段，還有一些養(yǎng)護(hù)修補(bǔ)研究都是為了能夠延長(zhǎng)道路的使用壽命。”讓王旭昊感到遺憾的是，提升路面、橋面的耐久性研究極其耗時(shí)且文章產(chǎn)出慢，有耐心堅(jiān)持下來(lái)的同行者并不多。不過(guò)顯然，無(wú)論有多少人有這份“耐久性”，這項(xiàng)研究已經(jīng)成為擺在道路交通工作者面前的一道坎，總要跨過(guò)去。

2014年，王旭昊的博士論文《橋梁現(xiàn)澆自密實(shí)混凝土的配合比優(yōu)化及性能提升測(cè)試方法研究》順利答辯。緊接著，他在導(dǎo)師Kejin Wang、Peter Taylor的引導(dǎo)下，正式入職美國(guó)國(guó)家路面混凝土科研中心，開展博士后工作?！皟晌焕蠋熢跇I(yè)界都非常有名氣，王教授主要側(cè)重的是學(xué)術(shù)的研究，P e te r則主攻工業(yè)界?！睂?dǎo)師一個(gè)偏理論、一個(gè)偏應(yīng)用，這也讓王旭昊能夠?qū)W習(xí)到更多綜合性的知識(shí)，積累到扎實(shí)的經(jīng)驗(yàn)。同時(shí)，美國(guó)國(guó)家路面混凝土科研中心對(duì)他來(lái)說(shuō)也不算陌生，早先他在那里兼職實(shí)驗(yàn)室主任，已然充分了解搞研究的脈絡(luò)，畢業(yè)后自然更要大展拳腳。

基于碩士、博士階段的理論研究，王旭昊為滿足美國(guó)北部的寒冷地區(qū)道路交通設(shè)施需求，投入了大量的精力關(guān)注特殊水泥混凝土。他從宏觀、細(xì)觀到微觀，針對(duì)自密實(shí)水泥混凝土以及半自密實(shí)水泥混凝土進(jìn)行了材料測(cè)試，考慮著如何解決工業(yè)界面臨的問(wèn)題。他說(shuō)，那幾年的研究大多依托項(xiàng)目，跑遍了超過(guò)20個(gè)州的施工現(xiàn)場(chǎng)，是潛下心來(lái)琢磨，實(shí)實(shí)在在做出了有效益的成果的。其中有一項(xiàng)涉及水泥混凝土的配合比優(yōu)化和創(chuàng)新，他需要思考的問(wèn)題很多，譬如怎樣幫助工業(yè)界降低水泥混凝土的單位使用成本，添加新材料的同時(shí)，能不能保證耐久性或者延長(zhǎng)壽命……一個(gè)大問(wèn)題往往還要拆分成很多小問(wèn)題，王旭昊再將這些小疑難點(diǎn)逐個(gè)擊破，事無(wú)巨細(xì)，包括一些設(shè)計(jì)方法、模型的建立等。

在科研中心的4年里，王旭昊參與到眾多項(xiàng)目工作當(dāng)中，完成了從助理科學(xué)家到助理教授的轉(zhuǎn)變，履歷上的光鮮成績(jī)也是一筆接著一筆：2014年，他研究了自密實(shí)混凝土在橋梁現(xiàn)場(chǎng)澆筑中的性能測(cè)試、質(zhì)量控制方法等；2015年，應(yīng)俄亥俄州交通部要求，他主持了“基于輕質(zhì)骨料內(nèi)養(yǎng)護(hù)用于減少混凝土橋面開裂的研究”，引用輕質(zhì)骨料減少了混凝土橋面塑性開裂；2016年，在美國(guó)能源部項(xiàng)目“改性水泥及其工業(yè)影響”中，面對(duì)水泥混凝土的質(zhì)量參差不一，他分析用料配合比，給出了如何最大化減少水泥用量，同時(shí)達(dá)到高性能的解決方案……就這樣，隨著項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)的增加，王旭昊在專業(yè)領(lǐng)域內(nèi)越挖越深。2012—2017年，他以第一作者或通訊作者陸續(xù)發(fā)表SCI、EI文章15篇，為行業(yè)增加了有跡可循的研究科學(xué)依據(jù)。

在美國(guó)愛荷華州立大學(xué)博士畢業(yè)典禮，與博士導(dǎo)師Peter Taylor和Kejin Wang教授合影。

緣起一場(chǎng)會(huì)議

2016年12月，陜西省第一屆絲綢之路青年學(xué)者論壇舉行，吸引了來(lái)自世界各地的學(xué)者青年。其中，就包括王旭昊。但當(dāng)時(shí)的他并不知道，這一次參會(huì)經(jīng)歷將成為他人生的重要轉(zhuǎn)折點(diǎn)。

“在會(huì)場(chǎng)交流的時(shí)候我碰到一位青海大學(xué)的老師。他一聽我的研究?jī)?nèi)容，就說(shuō)‘你這研究太適合青海了’?！鼻嗪Ｊ〉靥幬覈?guó)西部，雄踞世界屋脊青藏高原的東北部。全省地形、氣候差異顯著，干旱、雪災(zāi)、冰雹、霜凍較為常見，對(duì)道路交通建設(shè)來(lái)說(shuō)，這些特殊的氣象災(zāi)害都是不小的挑戰(zhàn)。同樣對(duì)王旭昊的研究來(lái)說(shuō)，那里的特殊恰好是“完美”的試煉場(chǎng)。于是，兩者一拍即合，王旭昊在2017年經(jīng)引薦成為清華大學(xué)-青海大學(xué)三江源研究院特聘三江學(xué)者，與國(guó)內(nèi)的科研合作關(guān)系日益密切。第二年，在國(guó)家自然科學(xué)基金地區(qū)項(xiàng)目和青海省科技廳自然基金應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目的支撐下，他就迅速投入到“青藏鹽蝕區(qū)混凝土結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期服役性能的宏細(xì)觀破壞機(jī)理研究”。

在為期兩年的項(xiàng)目部署中，王旭昊安排得十分清楚。他充分依托青海大學(xué)高原建筑材料實(shí)驗(yàn)室，收集國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，整合優(yōu)勢(shì)資源全力攻堅(jiān)多道難題?！耙粋€(gè)是目前混凝土材料凍融破壞特性的影響因素還不夠系統(tǒng)化，另一個(gè)是施工現(xiàn)場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)室有差距，抗凍混凝土現(xiàn)場(chǎng)制備的程度和實(shí)驗(yàn)室配合比沒辦法一一對(duì)應(yīng)……”在這些問(wèn)題的困擾下，王旭昊打破慣有的思維定式，通過(guò)創(chuàng)新測(cè)試方法、模型模擬等完成了對(duì)機(jī)理分析的一系列研究。

也正是在該項(xiàng)目的研究過(guò)程中，王旭昊深感國(guó)內(nèi)、國(guó)外兩地“開花”的壓力。他覺得是時(shí)候開始思考自己動(dòng)身回國(guó)的時(shí)間了，為在國(guó)內(nèi)的長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展做準(zhǔn)備?！俺鋈サ臅r(shí)候就決定了，有朝一日要回來(lái)。”至于選擇長(zhǎng)安大學(xué)，王旭昊坦言也經(jīng)過(guò)了一番深思熟慮?！耙环矫妫瑥男袠I(yè)發(fā)展的角度來(lái)講，長(zhǎng)安大學(xué)的交通運(yùn)輸工程作為國(guó)家一級(jí)學(xué)科能夠提供極有潛力的平臺(tái)；另一方面，考慮到親人的緣故，西安距離家鄉(xiāng)蘭州比較近。”

借著人才引進(jìn)的東風(fēng)，王旭昊于2018年8月正式成為長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院副教授、博士生導(dǎo)師，將整個(gè)研究重心全面轉(zhuǎn)向國(guó)內(nèi)。那段時(shí)間，他雖然忙著回國(guó)、搬家各種事情，但手頭上的科研工作一點(diǎn)兒也沒落下。當(dāng)時(shí)，除了針對(duì)青藏鹽蝕區(qū)的項(xiàng)目在進(jìn)行外，他還和孫新建教授合作推動(dòng)著“納米CaCO3玄武巖纖維增強(qiáng)混凝土斷裂性能多尺度研究”。他們采用多尺度非線性復(fù)合材料建模平臺(tái)進(jìn)行了骨料、玄武巖纖維、膠漿、界面多相三維建模，模擬多尺度增強(qiáng)混凝土的斷裂性能，為多尺度增強(qiáng)混凝土抗裂性能提供了理論支撐。

整體來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)工作是王旭昊前期水泥混凝土配合比設(shè)計(jì)研究的一個(gè)延續(xù)，是他回國(guó)以來(lái)研究?jī)?nèi)容的三分之一。“三輛馬車”并駕齊驅(qū)，這是王旭昊正在實(shí)行的研究模式。除了國(guó)外的研究基礎(chǔ)，他如今又給自己增加了些新能量——綠色新型材料的機(jī)理和應(yīng)用、工程性能混凝土的概念推廣。

在王旭昊的講解下不難明白，綠色新型材料的機(jī)理和應(yīng)用是環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展下的必然需要，又可以仔細(xì)劃分為新材料、可持續(xù)利用材料、人造材料三部分獨(dú)立研究?！罢驹趪?guó)內(nèi)公路發(fā)展的角度來(lái)說(shuō)，有很多廢棄的材料無(wú)法有效二次利用的，怎樣能把這些廢棄物利用好，我覺得這是一個(gè)很重要的事情?！痹谕跣耜豢磥?lái)，搞清楚性能影響機(jī)理是有效回收舊材料、融合綠色新材料的第一步，“因?yàn)樗嗷炷帘旧碜鳛橐粋€(gè)混合物，不是說(shuō)新加一種材料就表現(xiàn)一種新性能?！辈牧系娜诤嫌绊懼w性能，像王旭昊這樣的研究人員，要考慮的正是如何能最大化利用新材料，全面降低成本，提高路面承載力、耐久性等。

那么，工程性能混凝土的概念推廣又代表什么呢？“這個(gè)就是強(qiáng)調(diào)不同結(jié)構(gòu)的道路、橋梁對(duì)混凝土的要求不同。要按實(shí)際需求量身定做質(zhì)量檢控方法，優(yōu)化混凝土的工程性能。”王旭昊解釋，這部分研究由高性能混凝土的可持續(xù)發(fā)展及快速修復(fù)和養(yǎng)護(hù)、人工智能等高新技術(shù)與混凝土性能需求結(jié)合、新型傳感器在混凝土結(jié)構(gòu)健康檢測(cè)中的應(yīng)用三部分組成。2019年，由他主持的項(xiàng)目“機(jī)制砂混凝土質(zhì)量檢控與材料性能試驗(yàn)研究”能很好地闡釋這一概念。

課題組進(jìn)行小型水泥混凝土路面滑模攤鋪模擬實(shí)驗(yàn)

機(jī)制砂取代日益枯竭的河沙是國(guó)家十部委聯(lián)合倡導(dǎo)生產(chǎn)高品質(zhì)砂石、推動(dòng)砂石智能制造的明確要求。但一直以來(lái)無(wú)論是對(duì)天然砂還是人工砂的檢測(cè)方法都相對(duì)落后，普遍存在效率低、品質(zhì)揀選誤差等缺點(diǎn)。因此，如何研發(fā)一套操作簡(jiǎn)單、節(jié)省人工的高效操作自動(dòng)化系統(tǒng)，成為王旭昊團(tuán)隊(duì)思考的問(wèn)題?！叭绻軌蛲瑫r(shí)對(duì)砂的含水率、含粉量、級(jí)配、細(xì)度模數(shù)以及粒形系數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線檢測(cè)，那就可以極大提高檢測(cè)效率。再輔以集成數(shù)據(jù)庫(kù)軟件，自動(dòng)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)歸類，對(duì)粒形系數(shù)進(jìn)行量化，又能夠進(jìn)一步從數(shù)據(jù)上了解砂的粒形好壞?！痹诂F(xiàn)代科技面前，砂石檢測(cè)不再是耗時(shí)耗工的力氣活。

王旭昊說(shuō)，當(dāng)前制約機(jī)制砂混凝土推廣應(yīng)用發(fā)展的主要因素有機(jī)制砂質(zhì)量、政策和專業(yè)人才短缺造成的技術(shù)缺乏等因素，他們的研究正是為了解決這些問(wèn)題，推廣和提高機(jī)制砂混凝土的配制和生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)。這樣一來(lái)，既能夠解決天然砂資源的枯竭問(wèn)題，又可以降低成本和開采風(fēng)險(xiǎn)，給社會(huì)帶來(lái)更多的經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益?！霸诤由畴y求及建設(shè)工程大力推進(jìn)的大背景下，機(jī)制砂的應(yīng)用必將越來(lái)越廣，應(yīng)用技術(shù)必會(huì)穩(wěn)步提高，性能達(dá)到或者趕超河砂混凝土?！边@是行業(yè)和社會(huì)技術(shù)的進(jìn)步，也為其他行業(yè)提質(zhì)增效提供了臺(tái)階。

做事，自有一套準(zhǔn)則

自項(xiàng)目研究到行業(yè)創(chuàng)新，王旭昊談及很多。他不是一個(gè)冒進(jìn)的人，對(duì)于整個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展有著清醒的認(rèn)識(shí)。

“從技術(shù)的角度而言，國(guó)外在20世紀(jì)五六十年代就把道路、橋梁建設(shè)得差不多了，整體還是領(lǐng)先國(guó)內(nèi)的。尤其是筑路的機(jī)械，我們還是以進(jìn)口為主。而好的設(shè)備才能用更好的材料去匹配。”行業(yè)整體的進(jìn)步，是王旭昊迫切希望看到的。但同時(shí)他也一針見血地指出，快節(jié)奏科研極容易陷入急功近利的旋渦。在他看來(lái)，國(guó)內(nèi)的水泥混凝土或者說(shuō)硅酸鹽材料領(lǐng)域，研究規(guī)模有限，所以很多事情需要一步步沉下心來(lái)做，“假如要一口吃成個(gè)胖子，這個(gè)跨度實(shí)在太大”。

王旭昊認(rèn)為，研究步子不能邁太大，創(chuàng)新也同理。面對(duì)五花八門的新技術(shù)、新材料，他相比其他急著嘗鮮的科研工作者，總是分外冷靜，最先考慮的是成本問(wèn)題。“包括人工智能、納米材料這些，絕對(duì)是好東西。但好東西怎么用是一個(gè)很長(zhǎng)的過(guò)程?！蓖跣耜恢赋?，很多新興技術(shù)和材料結(jié)合都只停留在一個(gè)概念上，哪怕有成品，成本造價(jià)、耐久性、應(yīng)用價(jià)值也很少被考慮。“像是碳纖維、納米材料，加進(jìn)混凝土絕對(duì)能提高性能，但性價(jià)比太低了。大范圍用起來(lái)，光成本就負(fù)擔(dān)不起?！彼?，創(chuàng)新更應(yīng)該成為一種在基礎(chǔ)上的創(chuàng)新，才有價(jià)值、有意義。

如今回國(guó)兩年，王旭昊坦言整體節(jié)奏基本適應(yīng)，一些對(duì)于學(xué)生的教育方法還在不斷摸索。他有一套自己的招生、教育準(zhǔn)則，既要做導(dǎo)師，又要做朋友?！皬呐囵B(yǎng)方式來(lái)講，我希望除了教會(huì)他們?cè)趺醋鲅芯?，還能在做人做事上給他們積極的影響?！北热?，在經(jīng)濟(jì)上扶持、組內(nèi)的團(tuán)結(jié)合作，這些是王旭昊要求自己去倡導(dǎo)的。

“我不會(huì)要求學(xué)生朝九晚五地坐班，畢竟每個(gè)人的有效時(shí)間段是不同的。對(duì)我來(lái)說(shuō)，晚上八點(diǎn)到十二點(diǎn)鐘是我效率最高的時(shí)候，那我就這個(gè)時(shí)間工作，早晨哪怕多睡一會(huì)兒也無(wú)所謂?！绷硗夂投鄶?shù)老師一樣，王旭昊也十分注重帶著目的的培養(yǎng)。未來(lái)去企業(yè)還是做科研，這是成為他的博士生必須回答的問(wèn)題。“有的學(xué)生研一剛過(guò)，說(shuō)‘老師我要讀博’，為什么讀博也不知道。這種情況堅(jiān)決不能允許，人總要有一個(gè)長(zhǎng)遠(yuǎn)的規(guī)劃和認(rèn)識(shí)?！?/p>

作為嚴(yán)師，王旭昊要求在他手底下畢業(yè)的學(xué)生，必須達(dá)到他當(dāng)初學(xué)業(yè)水平的60%才能畢業(yè)?！拔也幌胨?年碩士或者博士，讀完就完了，總要對(duì)自身有要求。我當(dāng)初也沒有多強(qiáng)，如果連60%都達(dá)不到，實(shí)在說(shuō)過(guò)不去?！弊鳛樾珠L(zhǎng)、朋友，王旭昊不想成為強(qiáng)制式的指揮棒，更愿意給學(xué)生創(chuàng)造好條件，讓他們能夠按照自己的想法去真正做出些東西。“這個(gè)學(xué)習(xí)、探索的過(guò)程非常重要，包含了我們對(duì)未來(lái)的規(guī)劃。畢業(yè)不是說(shuō)最終發(fā)一篇文章就可以了，如果整個(gè)學(xué)習(xí)階段沒有對(duì)于人生、生活的收獲，我會(huì)認(rèn)為這是我作為老師的失敗。”而不管是對(duì)自己還是對(duì)學(xué)生，王旭昊從沒打算成為失敗者。

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