土木工程材料专业的过去、现在和未来
发布时间: 2009-01-04                    访问次数: 1645

 

  
  孙 伟 院士  
    
    一、土木工程材料专业的过去
    东南大学(原南京工学院)土木工程材料专业创建于1955年,迄今已有50多年的历史。当时称建筑材料与构件专业,是姚琏老师由苏联留学回国后创建、并由中央大学土木工程学科建筑材料方向发展而来,吴中伟院士应是该专业混凝土材料的奠基人。1956年招收了第一批本科生。此后每年招收30名,后增至60人。当时以教学为主,科研项目不多。因属于土木工程系,尽管师生努力办好这个专业,终因在南京工学院属于新办专业,既比不上土木工程的老专业,更比不上全校的优势学科,从而学生入学时第一志愿填报的几乎没有,大多数是从其他优势专业调转而来,因而学生专业思想严重,学习情绪不稳,尽管毕业后的学生不少在土木工程大学科中发挥着重要作用,不少已成为国内的重要领导、学术骨干,在国外学习与工作已成为顶端人才,但也有不少是改行转业,跳出所学专业而从事他们喜爱的工作。这个阶段给了我们最大的教训是:办专业必须与国家需求紧密结合,办专业应把国家需求和急需放在首位。土木工程材料专业方向,须与土木工程结构发展息息相关,土木工程材料是土木工程结构与土木工程发展的基础和核心,也是土木工程结构改革与创新的推动力。
    二、土木工程材料专业的今天
    改革开放以前,本专业的老师为了改变当时的困难状况,大家齐心协力,想方设法提高教学质量,想在教学质量上取胜,坚持不懈地工作,所以这个专业一直处于在奋斗中成长和发展的状态。改革开放以来,中国的各个方面都加速了前进的步伐,土木工程材料的发展目前呈现了新的转机,伴随着中国建筑工程、基础工程、国防防护工程的大规模兴建和前所未有的发展速度,高速公路、高速铁路、地下工程、大型和超大型桥梁工程,水电-核电-风电工程、国家治山治水与治海治沙工程,南水北调与西气东输工程等等,其建设规模空前,如高速公路通车里程由1.7万公里扩大到2.74万公里,铁道建设从2006年到2010年政府将投资125000亿人民币建设17000公里、时速达300~350KM/小时的新干线,电力方向的建设与发展遍及全国各个省份,所有这些无一不与新型、高性能、高抗力的土木工程材料息息相关。2007年我国水泥产量13.6亿吨,不仅居世界首位,而且占世界总产量的50%。混凝土产量超过70亿吨,居世界第一,占全世界总产量的45%以上。特别是对土木工程材料的性能和功能的要求越来越高,这就大大推动和促进了土木工程材料基本理论和应用技术的发展,已是土木工程材料自主创新的重要推动力。它激励了土木工程材料在东南大学加速发展的步伐,大大增进了本专业教师的信心。目前该学科有两个研究所(东南大学纤维与纤维混凝土技术研究所,绿色建材研究所),一个中心(东大-创斯达集团超高性能水泥基复合材料研发中心),一个江苏省重点实验室(土木工程材料重点实验室)。
    (一) 土木工程材料的主要研究方向:
    (1) 生态环保型高性能土木工程结构材料
    (2) 土木工程材料智能化理论和技术;
    (3) 土木工程材料功能化理论和技术;
    (4) 工业废渣资源化和高效利用的理论和技术;
    (5) 在力学与环境因素耦合作用土木工程材料与土木工程结构损伤劣化过程微结构演变机理和服役寿命预测新理论与新方法;
    (6) 高与超高性能纤维增强水泥基复合材料的强化、韧性与阻裂机理及其在基础与防护工程中的应用技术;
    (7) 混凝土材料原位增韧理论和技术及其防灾、抗灾、提高抗灾能力与服役寿命;
    (8) 高与超高性能水泥基材料结构形成与损伤劣化过程中微结构演变计算机模拟理论和方法。
    (二) 承担的科研项目:
    改革开放30年以来承担的大型科研项目,有80多项,含盖来自国家科技部的863、973和科技攻关项目,国家自然科学基金会的面上和重点项目、交通部、铁道部的基本理论和应用技术项目、江苏省的攻关与成果转化项目、重大工程建设的工程项目、日本、荷兰、美国、香港地区的国际和境外科技合作项目,这些项目的实施不仅提高了学科的建设水平,而且大大促进了人才的培养和队伍的建设,推动了科研工作的自主创新,这些年来,科研成果获国家发明三等奖一项,国家科技进步二等奖二项,省部级一等奖三项,二等奖七项,发表论文450多篇,SCI、EI收录50%以上,获发明专利10多项,大大推动了学科建设与发展。
    (三) 推动了队伍建设,加速了年轻同志成长的步伐。
    随着时间的推移,一大批有经验的老教师退休了,面临艰巨的教学与科研任务,在困难的情况下推动了年轻同志的加速成长。到今天为止,土木工程材料学科的教授有七名,绝大部分有博士学位和到国外、境外留学与进修的经历,有的还去荷兰Delft工业大学和香港科技大学做过为期2年和一年的博士后研究,他们年富力强、很有生气。副教授中有的是今年由日本东京大学引进的博士后,有的是与香港科技大学联合培养的博士,有的去日本深造过的东大博士,今年留校的两名本校毕业的优秀博士任教,依据学科发展速度和教学科研工作的需求,目前仍有人才不足之感,依据易校长对队伍建设的要求,我们还将不断引进国外名校培养的人才,同时还将派出高材生和年轻教师去国外名校在名师指导下继续深造,加速培养他们成为高端人才,以满足学科发展与建设的需求,尽心尽力加速师资队伍的成长。
    (四) 推动了高层次人才培养。
    本方向1955年招收本科生,1978年建立了全国第一批硕士点,90年代材料学院超越过二级学科,成立了材料科学与工程一级学科博士点和相应的博士后流动站。培养博士55名,硕士65名。在取得博士学位的博士生中,有3名获得国家百篇优秀博士论文提名奖,这支博士生和硕士生队伍,已逐渐形成了科研主力,结合博士、硕士论文为科研项目的完成和重大工程项目的实施做出了重要贡献,是一支很有活力和创新能力的队伍。2008年本学科又招收了博士生和硕博连读生10名,硕士生20余名。依据队伍建设要求,我们不断选拔优秀学生与国际名校名师联合培养,以充实我们的师资队伍和增进自主创新的能力。
    (五) 推动了试验室的建设。
    多年来的实践,使我们充分认识到如果实验室水平有限,即使有创新思路也是难以实现。长期以来,东大土木工程材料实验室仅能满足本科生教学要求,后来硕士生、博士生、博士后多了,科研项目的登记也提高了,现有仪器设备已不能满足要求,更难以实现自主创新。为解决这个问题,我们只能将申请到的大量科研经费用于到国内先进实验室做试验。由于高层面设备收费太高,就不能做到反复地进行科学试验,创新成果的依据总感到美中不足,但对于若干深层次的发现依然难以说清。我和我的团队经常为此着急,为此担心。2005年省长梁保华来我们学院与我交谈并参观了我们的实验室,他为推动我们科学研究创新能力和人才培养水平的提高,决定为我们特批建立一个江苏省土木工程材料重点实验室,总投资2300万人民币。我们把这笔经费全部用于设备的选购,选购了国际上水平先进的、科研和人才培养又急需的设备,如环境扫描电子显微分析系统、全自动压汞试验系统、先进的XRD测试系统、伺服式动静万能MTS810试验系统、电化学工作站、计算机工作站等共15项大型设备,还有七项设备正在调研和选取中。本月内该实验室即将完成装修,开始设备定位及安装调试,这个实验室建成后,将为土木工程材料科研水平的提高,促进土木工程结构的改革,对推动师资队伍的建设和人才培养水平的提升发挥积极作用。
    三、土木工程材料专业的未来
    (一) 学科建设水平
    结合2008年申报成功即将启动的以我校为负责单位,联合武汉理工大学、浙江大学、香港科技大学、江苏省建科院联合申报,并有清华大学、同济大学、武汉大学参加的国家科技部重大基础理论研究973项目“环境友好现代混凝土基础研究”和同年申报的国家科技部863项目“疲劳荷载与环境因素耦合作用下高铁专用结构混凝土和混凝土结构的损伤劣化机理和寿命预测”均将在2009年1月1日同步启动。这两个项目要解决的关键问题主要有:现代混凝土微观结构形成机理及其宏观性能的关系;现代混凝土在化学-力学耦合作用下微结构的演变与损伤机理;复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论,并从五个方面的研究来使目标实现,即(1)现代混凝土胶凝浆体结构形成机理(涵盖了复杂组分的交互作用的基础研究,现代混凝土水化进程的热动力学定量描述,现代混凝土胶凝材料的微结构模型和微裂纹形成的驱动力)。(2)现代混凝土微结构与本构方程(即现代混凝土微裂纹对其弹性系数的影响,现代混凝土力学多尺度本构模型,复杂应力状态下现代混凝土本构关系,基于多孔介质力学的混凝土传输本构关系)。(3)现代混凝土在多重因素作用下的化学-力学耦合损伤失效机理(包括环境因素的化学-力学作用等效转换,化学-力学耦合作用下微结构的演变,化学-力学耦合作用下混凝土材料损伤模型,化学-力学耦合作用下材料硬化/软化及表征,化学-力学(静与动载)耦合作用下现代混凝土寿命预测模型)。(4)复杂环境中现代混凝土结构的服役寿命设计理论(通过化学力学等效转换,将承载力设计与耐久性设计耦合与统一,实现通过土木工程材料理论的深化研究,实现现代混凝土结构设计的重大变革)。(5)现代混凝土服役特性的提升技术(建立现代混凝土微结构工程学,现代混凝土原位增韧理论与应用技术,通过混凝土增韧提高抗裂能力,从源头提高混凝土耐久性和服役寿命,完善混凝土服役特性设计)。为实现理论研究与工程应用紧密结合,我们将973项目、863项目研究成果选择了三个典型工程为依托工程,即京沪高速铁路工程、泰州大桥工程和苏州地铁工程。
    上述项目研究内容的完成有望取得理论和技术两个方面的自主创新成果,也有利于提高团队建设的科学水平和人才培养的档次,对整个材料学科的建设是非常有益的,力争研究水平处于国际先进,某些方面处于国际领先也是可能的,对重大混凝土工程和结构的改革与创新必将起有力的推动作用。力争成为国内优势学科,在国际上,特色鲜明有竞争力的学科项目实施年限是5年,我想随着研究的深化,新的科学问题不断萌生,还有其他研究内容的拓展,我们力争用10年时间即到2019年有所建树,核心领域力争达到国际先进或部分达到国际领先水平。
    (二) 师资与人才培养水平上个台阶
    当今我们的师资队伍正在建设与水平提高之中,但从数量和水平上尚不能满足学科发展科学研究和人才培养的需求。在师资队伍的规模上要逐步提高到40人,从培养方式上来说,一个是在国内通过教学和科研培养,并有计划派到国外与名校名师合作,来提高学术水平。另一个是引进由国外名校和名师直接培养的高端人才来充实队伍,使我们的研究团队能成为一支有理想、有自主创新水平和能力、有创造精神、团结合作和实干的队伍。使这支队伍能参与国内外混凝土科学与技术的竞争,并有能力取胜。
    在高层次人才培养方面,师资队伍的水平与能力的提高是关键也是要害,对博士生、博士后、硕士生的录取与选拔也至关重要。因此对招收学生的选取要注重学生的思维能力、创新能力、基础理论水平和业务知识,还有特别重视外语水平和用英语写作的能力。在培养过程中要强调综合分析国内外文献资料的能力,开拓创新和科学实验的能力,总结提炼在理论和技术上的创新能力,用文字和语言表述的能力,特别还有具有为科学而奉献的精神,这样才能使人才培养能登上一个新台阶。
    (三) 积极创造条件力争成为国家级土木工程材料重点实验室
    江苏省土木工程材料重点实验室建成后,与原有实验室相比在内容和水平上均有质变的提高,我们一定要充分发挥它的作用,利用这些先进的宏观性能测试和微观机理分析设备,出高水平科研成果,发表高档次学术论文,为学科建设与人才培养两个方面做贡献。这是土木工程材料重点实验室建设的一项重要任务,也是特别重要的方面。但毕竟原有实验室底子薄弱,现在选取的设备,尽管我们经过国内、国际和生产公司的周密而又反复的调研在选用的设备中应该是处于国际先进水平,仅有这些设备与国家级重点实验室还有距离。为此,我们正在规划完善和充实以下系统:(1)大型动、静载力学行为试验系统;(2)化学反应测试系统;(3)耦合因素作用下耐久性试验系统;(4)热分析试验系统;(5)组成分析试验系统;(6)微观分析系统;(7)无损微结构测试系统;(8)表面分析仪器设备;(9)高温性能测试系统;(10)材料表面分析系统等等。力争花五年时间在原有江苏省土木工程材料重点实验室水平上不仅要积极创造条件进一步充实和提高具备国家级土木工程材料重点实验室,而且在重要方面在国际上属领先水平。相应是我们科研水平的增进和自主创新能力的增强,尽我们的努力,通过材料性能、理论和技术的提升,为土木工程结构和服役特性设计的重大变革贡献我们的力量。