混凝土技术真的是靠经验去蒙的吗?

二十世纪后半叶混凝土业界最伟大的成就之一，就是让混凝土技术成为了一门材料科学，通过材料科学、化学、结构工程、工程力学等领域的科学家、工程师、科研工作者们的不懈努力，我们终于可以用科学的方法来描述、研究、预测、评估混凝土这个非常复杂的材料，混凝土也像高性能陶瓷、高性能合金、高分子聚合物、高性能塑料等等工程材料一样，成为材料科学新的研究对象。

　　在这之前，我们只能靠经验蒙。蒙的结果有时候还可以，但更多的时候是惨不忍睹的。很多混凝土结构十年不到就出问题了，要么钢筋锈蚀，要么碱骨料反应严重，要么表皮全开裂，要么抗渗性能降低到不能接受的地步……为了维修这些出问题的混凝土结构，我们不得不花费大量的人力物力和时间金钱。而且由于基础设施建设的规模一般都比较庞大，很多时候真的是“拆了东墙补西墙”，刚刚修好这边，那边又不行了。

　　仅以美国为例，统计资料显示2004年美国全国用于维修混凝土结构的投资高达200亿美金，而因为混凝土中的钢筋锈蚀造成的拆除、重建、维修、加固等损失更是高达一年1200亿美金。更重要的是，因为总的资金是有限的，把有限的资金用来维修旧的出问题的混凝土结构，意味着就没有钱建造新的混凝土结构了，社会急需的新道路、新桥梁、新水坝很可能会因为资金紧张而无法完工。如果不修旧的，旧的就会出问题，桥会塌，大坝会崩溃；如果修旧的，那就没钱建新的，就无法用基础设施来促进经济发展。进退两难，举步维艰，而这一切的根本原因很可能是因为当初设计建造的不科学。

　　事实上，混凝土工业是全球规模最大的产业之一，是温室气体排放的主要产业之一，也是全球消耗自然资源最多的产业。混凝土是全球产量最大的工业品，每人每年平均三吨。水泥厂生产水泥的化学反应需要高温，化学反应本身再加上燃料的燃烧，每生产一吨水泥就要释放一吨的二氧化碳，这还是技术比较新、设备比较好的水泥厂；对于那些陈旧的小水泥厂，可能附近整个地区都会是灰蒙蒙的。

　　消耗了这么多的自然资源，排放了这么多的温室气体，顺带着污染了水泥厂周围的环境，最后弄出来一堆用不了十年二十年就会出问题的产品，坏掉了还没地方扔，全变成了建筑垃圾。至少在我看来，这是赤裸裸的对人类的犯罪，是坚决不能接受的。

　　也许你会说，没觉得有那么多混凝土结构十几年就不行了，也没见过坏的不像样子的混凝土结构，为什么呢？因为很多其它原因，你身边的很多混凝土结构不到十几年就已经被拆掉重建了，又一次为GDP的增长做贡献去了。

　　也许你会说，关我什么事儿呢？十几年后的事情十几年以后再说，我先干我这个工程，拿到钱再说。如果您这么想，那我也没办法。但是我知道，那些造、苏丹红食品的肯定也是类似的想法。

　　某种意义上，加固维修的巨额花销都是在为当初设计建造时候的错误买单。如果当初工程师们能够蒙的好一点点，就能为现在节省这每年上千亿美金的开支。显然，蒙是不靠谱的，我们需要比蒙更好的方法。什么是更好的方法呢？不同的人有不同的见解。

　　有的人会杀鸡宰羊，放鞭炮，挑好日子，不让女性朋友下工地，他们认为这样就会避免工程事故，提高工程质量；有的人依靠经验，一切以老把式、老师傅教的为准，以前都是这样干的，所以这次也一样；还有些人会依靠科学，用化学、力学的知识来解释问题，用实验、分析来解决问题。

　　也许这三种办法都可以奏效，但显然它们的成功率和可以达到的上限是不一样的。如果你认为第一种比第三种还要好，显然我们也没有进一步对话的必要了。

　　什么是科学的方法？科学就是以事实为根据，以实践为标准。看不清微观结构？我们就用显微镜，甚至电子扫描显微镜。搞不清水化机理？我们就用纯的C₃S、纯的C₃A……每一个化学成分都单独测试。搞不清反应的流程？我们就用核磁共振，监控每一个我们感兴趣的反应。

　　不确定长期的抗冻融性能？那就把试件在冰箱里反复冻融好几个月。不确定长期的碱骨料活性？那就在把试件在氢氧化钠溶液里泡两年。不确定长期的硫离子侵蚀？那就把试件在不同的硫离子环境里监控五十年。

这是我们混凝土材料课上的一张数据图，这是我们混凝土材料课上的一张数据图，注意看横坐标，最大值是45，单位是年。 

　　美国内政部复垦局负责美国西部的水利工程建设，为了解决混凝土水坝抗硫离子侵蚀的问题，他们在二战时展开了这项实验，实验的数据采集一直持续了四十多年。这四十多年的坚持，不仅仅能帮助内政部兴建维护混凝土水坝，更重要的是，它提供了我们对混凝土抗硫离子侵蚀的第一手资料。 
　　类似的实验有很多，每一项实验、每一项研究都能推进我们对混凝土材料的认知，都能修正我们的理论。千千万万个这样的研究合在一起，共同构成了我们的混凝土材料科学。 
　　根据我们已知的混凝土材料科学，我们甚至已经有了混凝土材料的计算机水化模型。就像工程师设计结构会用 SAP2000、ETABS 或者 PKPM 等软件分析结构的受力性能，不需要真正建造这个结构物，就能在电脑上预测结构的情况，继而优化结构设计；混凝土科学家也有相应的软件，不需要真正的制作混凝土，就能在电脑上模拟混凝土的性能，继而优化混凝土的配比。
　　美国商务部的国家标准技术研究所（NIST）的VCCTL软件就是其中之一，VCCTL是Virtual Cement and Concrete Testing Laboratory 的缩写。输入你的混凝土配比，比如水灰比、水泥用量、骨料用量等等参数，输入你的水泥的化学成分，输入你的SCMS的成分，输入外加剂的种类、剂量，输入环境参数，就可以模拟混凝土的水化反应。你甚至可以输入显微镜照片，直接输入第一手的化学成分信息。 

模拟水化反应，得到模拟的水化微观结构，继而输出混凝土的强度、弹性模量、抗渗透性能等等。通过这些分析结果，优化混凝土配比，然后再模拟测试，然后再优化再测试。虽然这不能代替现场实验，但是这可以指明现场实验的方向，而且节省了实际实验的时间和费用。模拟水化反应，得到模拟的水化微观结构，继而输出混凝土的强度、弹性模量、抗渗透性能等等。通过这些分析结果，优化混凝土配比，然后再模拟测试，然后再优化再测试。虽然这不能代替现场实验，但是这可以指明现场实验的方向，而且节省了实际实验的时间和费用。 
　　也许你觉得这些不够科学，没错，如果你像谢尔顿那样执着的话，这些的确不像理论物理那么“科学”。但如果你放宽一点标准，混凝土科学绝对跟很多其它“科学”的“科学”程度是一样的。

也许你会说，虽然知道这些，但是也没有用处，我们一样治不了癌症，或者，我们一样不能保证高质量的混凝土。没错，科学不是万灵药，伪科学或者反科学才标榜自己是万灵药。 

有时候，科学不见得比经验或者瞎蒙的效果更好，就像早期的火枪还不如，但它们有着不一样的未来。因为现在经验比科学更管用，所以就嘲笑和鄙视科学，这显然是没有远见的行为。人类的技术进步，最终还是由辛勤工作的科学家和工程师们共同推进的。