放眼四周，高樓、橋梁、大壩……每一處基礎(chǔ)建筑設(shè)施的建造，都離不開一種重要材料——混凝土。據(jù)統(tǒng)計，最近幾年，我國僅商品混凝土和大型水利工程使用的混凝土就年產(chǎn)高達(dá)100億噸?；炷两Y(jié)構(gòu)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中最常用的結(jié)構(gòu)形式。
但是，這些建筑設(shè)施一旦出現(xiàn)裂縫，就有可能引發(fā)重大安全事故。如何科學(xué)地描述混凝土裂縫的擴(kuò)展過程？怎樣對裂縫進(jìn)行安全評價？如何有效控制裂縫的擴(kuò)展？浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院教授徐世烺課題組對此持續(xù)研究了30多年。
上世紀(jì)70年代末，我國多處混凝土大壩出現(xiàn)嚴(yán)重斷裂事故，為了給大壩的安全評估和修復(fù)提供科學(xué)依據(jù)，國內(nèi)學(xué)術(shù)界開始啟動相關(guān)科學(xué)研究，當(dāng)時還是研究生的徐世烺，開始了混凝土斷裂力學(xué)的研究生涯。
復(fù)雜的工程問題深處往往蘊(yùn)含著重大的科學(xué)問題。經(jīng)過30多年的研究，課題組在國際上創(chuàng)造性地建立了以“雙K斷裂理論”為核心的斷裂力學(xué)理論，形成了從基本準(zhǔn)則、理論框架到國際標(biāo)準(zhǔn)以及方法學(xué)的系統(tǒng)工具和方法，并為制備高韌性水泥基復(fù)合材料奠定了理論基礎(chǔ)。
“混凝土結(jié)構(gòu)裂縫，從起裂、穩(wěn)定擴(kuò)展到失穩(wěn)破壞，要經(jīng)歷三個不同階段，所以我們不能用單一狀態(tài)的判據(jù)來判斷整個過程，至少需要兩個不同的參數(shù)，一個描述起裂，一個描述失穩(wěn)。雙K斷裂準(zhǔn)則給出了不同狀態(tài)的判據(jù)，起裂韌度描述裂縫的起裂，失穩(wěn)韌度描述裂縫的臨界失穩(wěn)狀態(tài)，這樣就可以針對裂縫不同的狀態(tài)，判斷裂縫是否開裂，還是穩(wěn)定擴(kuò)展。”徐世烺說。
此前的理論，只能表示裂縫單一臨界狀態(tài)，有一定的局限性。雙K斷裂理論不但可以描述裂縫導(dǎo)致的失穩(wěn)狀態(tài)，也可以準(zhǔn)確判斷裂縫何時開始穩(wěn)定擴(kuò)展。標(biāo)志性論文發(fā)表在權(quán)威期刊《國際斷裂學(xué)報》上，當(dāng)期雜志一共89頁，這篇論文的篇幅占了81頁。
據(jù)檢索，自1969年以來，《國際斷裂學(xué)報》上發(fā)表的混凝土斷裂力學(xué)領(lǐng)域論文引用率最高的前10篇中，有5篇是課題組發(fā)表的雙K理論系列論文。2005年，我國第一部水電水利行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)就是以雙K理論為基礎(chǔ)制定的。
2012年，南水北調(diào)水源工程丹江口大壩加高工程出現(xiàn)裂縫，長委設(shè)計院與徐世烺課題組開展研究，并將從大壩取樣的5噸芯材樣品運(yùn)到了浙大實驗室?！斑@是國家南水北調(diào)的水源工程，非常重要，大壩加高后，只有提高蓄水位后才能往北京輸水。蓄水位提高后，裂縫內(nèi)水壓力就會增大，裂縫如果進(jìn)一步擴(kuò)展甚至發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)展，大壩的安全就會受到重大威脅?！毙焓罒R課題組進(jìn)行了一系列參數(shù)測試后，為設(shè)計院提出了合理建議，使得供水方案得以順利實施。“我們提供了一些措施建議，水壩水位提高了，順利向北京供水?！?
截止目前，雙K斷裂理論在烏江東風(fēng)拱壩、長江三峽二期三期工程、丹江口大壩加高工程等國家重大工程中獲得成功應(yīng)用，取得了令人滿意的實施效果。相關(guān)理論工具和方法對提升混凝土性能、促進(jìn)和提高我國大體積混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計和施工質(zhì)量發(fā)揮了重要作用。
2011年，國際結(jié)構(gòu)與材料研究所實驗室專家聯(lián)合會RILEM成立TDK技術(shù)委員會，該委員會負(fù)責(zé)專門制定雙K斷裂準(zhǔn)則國際試驗標(biāo)準(zhǔn)，徐世烺受邀出任委員會主席。這是RILEM首次建立由中國人創(chuàng)立的理論而命名的技術(shù)委員會，也是中國人首次擔(dān)任主席?！耙蔀閲H標(biāo)準(zhǔn)，必須進(jìn)行相應(yīng)的充足的國際循環(huán)實驗?！毙焓罒R介紹，目前，圍繞雙K理論提出的研究和分析方法，中國、印度、德國、西班牙等多個國家和地區(qū)的高校和研究機(jī)構(gòu)承擔(dān)了不同的實驗任務(wù)。
2015年11月底，剛剛在西班牙召開了“混凝土斷裂中的雙K方法學(xué)國際會議”。在這次會議上，“雙K”第一次被稱為混凝土斷裂力學(xué)研究領(lǐng)域的“方法學(xué)”，標(biāo)志著雙K斷裂理論應(yīng)用的廣泛性得到了新的認(rèn)可。
“以往我們針對混凝土的裂縫問題，都是被動地研究它的性能，對耐久性的影響，采取什么樣的措施。而根據(jù)雙K理論，就研發(fā)了新型的超高韌性材料?！毙焓罒R課題組的李慶華副教授介紹，從基礎(chǔ)理論到材料研發(fā)，徐世烺課題組又邁出了關(guān)鍵一步。
“我們還做了很多新水泥基材料的研發(fā)，比如超高韌性混凝土的研發(fā)，用于橋梁工程，海洋工程，需要涉及到疲勞性能測試，因此進(jìn)一步開展了很多高韌性混凝土的疲勞破壞實驗?！毙焓罒R說。
李慶華介紹：“我們以往的混凝土只是根據(jù)材料的配合比去選擇材料用量，而現(xiàn)在，我們在雙K理論的指導(dǎo)下，每種材料的參數(shù)是有選擇有控制的，選擇的水泥基材料、纖維和界面能量都是精準(zhǔn)控制的。界面能量就能讓裂縫由以前非常單一的非常寬的形態(tài)，彌散成很多很多的微細(xì)裂縫?！?
人們傳統(tǒng)印象中的又硬又脆的混凝土，正在課題組的努力下，變得又韌又強(qiáng)，并越來越多地出現(xiàn)在大型建筑工程中。
