赋能“南水北调” 徐世烺院士“死磕”“双K断裂理论”护佑山海

我们生活在混凝土无处不在的时代。高楼、大坝、桥梁……每一处基础设施建筑，都离不开混凝土。混凝土在造福人类的同时，其频频出现的裂缝也令人胆战心惊，安全事故也时有发生。

究其裂缝原因，多是源自混凝土脆性大、易开裂的天然属性。自19世纪混凝土发明以来，如何增韧控裂?如何研发2.0版本高韧性混凝土?这些问题一直困扰着国内外学术界和工程界。

针对这一重大需求，40多年来，我国著名混凝土结构安全领域专家徐世烺专注于理论前沿的探索与高性能材料的研发，开展混凝土结构裂缝完整性安全分析理论和高性能结构与材料研究，在混凝土结构裂缝安全问题的理论创新、材料发明与工程应用方面取得了原创性的学术成就。2021年11月，徐世烺当选为中国科学院院士。

“双K断裂理论”背后，几十年的“死磕”

上世纪70年代末，我国多处混凝土大坝出现严重断裂事故，为了给大坝的安全评估和修复提供科学依据，国内学术界开始启动相关科学研究，当时还是研究生的徐世烺，开始了混凝土断裂力学的研究生涯。

1979年夏天，徐世烺考上大连工学院(现大连理工大学)赵国藩院士的硕士研究生，在确定研究方向时，他选择了国际上刚刚兴起的混凝土断裂力学研究领域。当时，所有科研经费总共不过500元，但要做断裂力学试验，必须测试裂缝口张开位移，所需的夹式引伸仪一支就要800元。为了得到准确数据和结果，徐世烺决定自己动手做一支夹式引伸仪。实验得到了许多前辈的指点和支持，学校基建处还给他送了实验所需的木材、水泥、砂与石子。1981年冬天，徐世烺终于完成了自己的研究课题，其研究论文被《水利学报》和《冶金建筑》两个期刊选中。

1983年，徐世烺拿到了国家自然科学基金第一批获准项目“混凝土断裂和损伤的机理”;1984年，徐世烺又承担了水利水电科学基金项目“混凝土断裂韧度的尺寸效应”的研究;1986年，徐世烺承担了“七五”国家重点科技攻关项目“混凝土裂缝的评定技术”，研究高混凝土坝的裂缝防治技术;1992年，徐世烺远赴德国继续深造，搞定了纯剪切断裂试验研究的理论基础和实验方法，首次实现各向异性材料和混凝土材料的纯II型断裂韧性和断裂能的测试;1998年，徐世烺着手开展对“混凝土裂缝扩展的断裂理论与分析方法”的研究……

几十年来，徐世烺的科研从未离开过水泥，他在复杂的工程问题深处，探索着重大的科学问题。他的数十年研究写在纸上，是三行极其简洁的公式，包含两个用字母K来表示的实验参数，被业界称为“双K断裂理论”。

赋能“南水北调”，双K断裂理论走向产业化

徐世烺研究发现，混凝土结构裂缝，从起裂、稳定扩展到失稳破坏，要经历三个不同阶段。所以，不能用单一状态的数据来判断整个过程，至少需要两个不同的参数，一个描述起裂，一个描述失稳。

此前的理论，只能表示裂缝单一临界状态，有一定局限性。双K断裂理论不但可以描述裂缝导致的失稳状态，也可以准确判断裂缝何时开始稳定扩展。徐世烺的标志性论文发表在权威期刊《国际断裂学报》上，当期杂志一共89页，这篇论文的篇幅占了81页。

据检索，自1969年以来，《国际断裂学报》上发表的混凝土断裂力学领域论文引用率最高的前10篇中，有5篇是课题组发表的双K理论系列论文。2005年，我国第一部水电水利行业标准就是以双K理论为基础制定的。

2012年，南水北调水源工程丹江口大坝加高工程出现裂缝，长委设计院与徐世烺课题组开展研究，并将大坝中取样的5吨芯材样品运到浙大实验室。徐世烺课题组进行了一系列参数测试后，提出了合理建议，新的供水方案不仅水坝水位提高了，还顺利实现向北京供水。

2015年11月，西班牙召开“混凝土断裂中的双K方法学国际会议”。会上，“双K”第一次被称为混凝土断裂力学研究领域的“方法学”，标志着双K断裂理论应用的广泛性得到了新认可;2016年1月，徐世烺的“混凝土结构裂缝扩展过程双K断裂理论及控裂性能提升基础研究”成果获得国家自然科学奖二等奖……

“以往，人们一看到混凝土出现裂缝就忙着要加固。实际上，裂缝就像感冒，有的人感冒症状轻，休息一下就能扛过去;有的人感冒重，就需要吃药。”在徐世烺看来，双K断裂理论揭示的自然原理并不复杂，普通实验室用国产常规实验设备和仪器，就能取得公式所需要测定的实验参数。

“做科研就要顶天立地，造福更多的人”

一条不起眼的裂缝隐患，可以导致摧毁一项重大基础设施。为了让混凝土变得又韧又强，并用于大型建筑工程上，徐世烺首先建起纤维增韧混凝土多缝开裂力学模型，实现高韧性纤维混凝土性能的可控优化设计，并依托力学模型，发明和制备了性能稳定的高韧性纤维混凝土。

徐世烺说，高强高韧性混凝土极限抗拉应变最高可达8.4%，这个数值比普通混凝土高出800倍。与普通砂浆、混凝土脆性断裂完全不同，高韧性混凝土具有优异的韧性，最大裂缝宽度远小于0.1mm，完全满足严酷条件下的耐腐蚀耐久性要求，为工程结构安全提供关键性材料保障。

此外，高韧性纤维混凝土的导热系数仅为普通混凝土的1/4，抗裂防渗性能优越。徐世烺试验发现，当模板厚度大于75cm时，可以确保厚度20m的混凝土坝块在越冬期间不会出现温度裂缝，团队还发明了龙骨嵌扣式、螺栓钻孔式、互扣式等多个系列连接结构，实现了永久模板的快速装配连接。

“做科研要努力做到顶天立地，造福更多的人。”徐世烺的研究成果不仅弥补了理论空白，更展现出完善的实用价值。2011年，两条高韧性纤维混凝土全自动化生产线分别在杭州海外高层次创业园和常州建材基地建立，实现了高韧性纤维混凝土的规模化工业化生产。

据了解，高韧性纤维混凝土应用于上海吴淞军港、浙江新岭隧道、常山港特大桥、贵州乌江东风拱坝、三峡大坝二期工程、湖北丹江口大坝、四川金沙江向家坝等重大工程上。据统计，近三年新增产值22.7亿元、利润2.1亿元。(吴静)