为有效推动科学普及与科技创新两翼齐飞，营造尊重科学、崇尚创新的浓厚氛围，我们再次推出“科学家讲科学”系列科普讲座，在上一期邀请我省自然科学基金创新研究群体基础上，此次燕赵青年科学家项目负责人带来了他们各自研究领域基础科学知识，带你用好奇更新已知边界，用科学连接未来生活。让我们与省自然科学基金背后的专家面对面，与科学零距离，继续有料有趣的奇妙科普旅程！

　　今天我们一起走进河北工业大学卿龙邦教授团队，探索“人工石”的秘密。

　　完美“人工石”　　

　　“人工石”，即“砼”字的拆解，会意为“人工合成的石头，混凝土坚硬如石”，是混凝土的俗称。从气势恢宏的罗马万神殿到婉转雅致的北京冬奥速滑馆“冰丝带”，这一重要的建筑材料，见证了人类建筑文明的发展历程。接下来就让我们一起探索混凝土的“前世今生”，破解混凝土性能的“矛与盾”，展望面向未来的完美“人工石”。

　　图 1 河北工业大学卿龙邦教授

　　人类建筑文明发展初期，混凝土尚未被研发出来，木头、石头被大量应用于建筑中，帮助人类遮风挡雨。然而随着人口的增长，建筑的体型逐渐增大，木材、石材的采集和运输难度大的缺点日益突出，迫切需要一种性能高、取材便捷的建筑材料，于是人类踏上了探索“人工石”的漫长之旅。

　　大约在三千年前，古人将稻草掺入泥浆中，切成小立方体并阴干来建造房子，是较早的人工石雏形。此后一千年，粘度较高的石灰砂浆人工石出现。随着人们的不断探索，他们发现用大火将糯米汁熬成粘稠状，混入泥浆并不断搅拌，可以得到粘度极高的胶结材料，于是，世界七大奇迹之一——长城诞生了。公园前300年，古罗马人用石灰、火山灰、砂子制备了混凝土，后人延用此配方，于公元前27年建造了万神殿，它是古罗马穹顶技术的最高代表，至今仍保存完整。

　　至现代，人们探索人工石的脚步按下了加速键。1678年，约瑟夫·莫克森（Joseph Moxon）首次介绍了水泥水化反应的现象；101年后，布莱恩·希金斯（Bryan Higgins）取得水泥和混凝土历史上第一个专利；1824年，波特兰水泥问世；51年后，人们建造了世界上第一座钢筋混凝土桥梁。

　　如今，世界混凝土年产量接近300亿吨，占三大材（另外两种为木材、石材）的90%以上。生活中许多耳熟能详的建筑中都有混凝土的身影，如哈利法塔、三峡大坝、港珠澳大桥。混凝土的脱颖而出并非偶然，其核心元素氧、硅、钙在地壳中的含量超过78%。

　　然而，混凝土经历上千年发展至今，并不是完美的，裂缝始终是制约混凝土性能的关键因素。如何预防或修复裂缝呢？要回答这个问题，首先需要搞清楚裂缝是如何产生的。混凝土裂缝可分为四种：塑性收缩裂缝、沉降收缩裂缝、温度裂缝、结构性裂缝。塑性收缩裂缝是由于混凝土在凝结前表面失水较快而产生的；沉降收缩裂缝则是由于结构的不均匀沉降导致；温度裂缝大多发生在大坝等大体积混凝土结构中，水泥水化产生的大量热无法快速散出，较大温差导致结构内外热胀冷缩程度不同，最终混凝土因表面产生一定拉应力而开裂；结构性裂缝是结构开始破坏的特征，多由于结构应力达到限值，造成承载力不足引起的，是比较危险的。

　　图 2 混凝土裂缝扩展变形测量系统

　　卿龙邦团队针对混凝土的裂缝问题进行了深入研究，建立了混凝土的非线性断裂力学理论，研发了裂缝扩展测量装置，提出了混凝土裂缝的阻裂及自修复技术。此外，卿龙邦教授团队还研究了高性能纤维混凝土材料。通过分析龄期、纤维方向、掺量等因素对其断裂性能的影响，揭示了纤维混凝土的抗裂增韧规律；从宏观、细观、微观三个角度出发，结合断裂测量技术，系统研究了纤维混凝土的断裂全过程；提出了纤维混凝土高效能设计方法与工程建造工艺，提升了工程质量，降低了工程成本。

　　创新不辍，探索完美“人工石”未来可期。下一步，该团队将在既有基础上进一步在机器学习、生物炭混凝土、功能混凝土、自修复混凝土等多个方向继续研究，重点攻克混凝土低碳、修复领域的难题，不断优化现代混凝土，提高其力学性能，使其逐步满足未来建筑的要求。