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史才军:当选美国混凝土学会会士

来源:《科学中国人》 2010-07-20 11:49:51

  “我谨代表美国混凝土学会理事会荣幸和高兴地告诉你:基于你对混凝土材料研究与应用领域的杰出贡献以及在学会所做的工作,你已被选为学会的会士。美国混凝土学会会士在混凝土(包括材料和结构)领域中是受到高度尊重的。美国混凝土学会鼓励会士们在与职业有关的通信中自豪地使用会士这个称号。”

  ——这是美国混凝土学会执行副总裁William Tolley先生给史才军的贺信中的话。

  美国混凝土学会(American Concrete Institute,简称ACI)成立于1904年,在世界上30多个国家和地区有分会,拥有30,000多名会员,是世界上混凝土材料和结构方面最有影响和最权威的机构。学会下设114个专业技术委员会,这些委员会已经制订400多份关于混凝土的技术文件、技术报告、指南、标准以及规则。成为美国混凝土学会会士的条件包括:在会士被提名时,应至少已是学会的会员或单位会员在学会的代表十年以上。会士应在混凝土材料、制品和结构生产或使用的教育、研究、开发、设计、施工或管理方面已取得卓越的贡献,而且对学会的专业委员会或当地分会做出了显著的贡献。

  史才军——湖南大学985首席科学家、土木工程学院教授、博士生导师。他对各种工业废渣的特性和活性激发及利用、高性能混凝土、混凝土耐久性、智能自修复防渗漏材料以及有毒害废物和放射性废物的水泥固化处理方面进行了广泛深入的基础理论和应用研究,并取得丰硕成果,其科研成果得到了国际有关学会的认可,凡此种种均与他严谨、刻苦、钻研的科研态度是分不开的。

  书山有径 学海无涯

  史才军,1963年生,现为加拿大籍华人,俗话说“十年方知寒窗苦”,而史才军的求学又岂止十年。

  1980年,年仅17岁的史才军顺利考入东南大学土木工程系建材专业,四年后,他以努力刻苦、勤奋钻研的求学态度顺利完成学业,获得无机非金属材料专业学士学位。在当时,大学毕业生是天之骄子,可以助他进入一家很好的企业或相关部门任职,但他选择了继续求学。

  1984年,史才军成为1982—1984年间通过东南大学土木工程系建材专业研究生入学考试的唯一一个人,而且单科及总分远超过录取分数线。

  1987年,史才军在母校顺利取得工学硕士学位。随后,他又以优异的成绩考取了南京化工大学水泥化学专业的博士研究生,师从于我国著名的水泥化学专家唐明述院士。后来,成绩突出的史才军得到了加拿大卡尔加里大学全额奖学金,1989年底,他前往加拿大继续攻读土木工程系材料专业博士学位,并于1992年获得材料学博士学位,随后连续两年获得加拿大国家科学与工程基金会两年的工业研究奖学金,并在加拿大环境部废水技术研究中心任博士后一职。

  多年的求学过程中,史才军信奉学无止境。深厚的理论基础、严谨求学的态度、坚持不懈的努力,都为他以后的研究打下了坚实的根基。

  积跬步 至千里

  多年的寒窗苦读为史才军的科研夯实了基础,而丰富的实践经历又成为他研究的催化剂。1984年,史才军在东南大学做毕业论文的时候,就已经开始科研工作了。从那时至今,他一直在从事与所学专业有关的研究和咨询工作,并且得到了同行们的认可。

  史才军的大学毕业论文和硕士研究生论文研究的是磷渣的活性激发和利用。他的硕士研究生论文研究成果发表在几个国际高水平的学术期刊上。随后,他又研究了其它工业废渣(包括粉煤灰、矿渣、钢渣、铜渣、废玻璃等)的特性及作为胶凝材料的应用基础理论研究工作,对其活性激发的动力学、机理和微观机构以及胶凝材料的性能方面进行了大量的研究。研究中,史才军发现这些火山灰质及潜在水硬性材料可用热激发、力能激发和化学激发三种方法来激发其活性;他根据碱激发矿渣水泥的水化放热特征,将碱激发矿渣水泥分为三大类,基于其中的原理,史才军发明了一种耐酸碱—激发水泥,并获得了美国专利授权、硫酸钠激发的节能型钢渣水泥生产技术获得过中国化工部科技成果三等奖;结合其在碱—激发胶凝材料方面20多年的研究成果,史才军写了该领域的世界首部英文专著《碱激发水泥和混凝土》(Alkali—Activated Cements and Concretes);他在与重庆大学的研究人员一起通过改变石灰或硫酸盐形态和比例的实验中,开拓了一系统化学激发的石灰—粉煤灰材料在垃圾固化和边坡植被恢复等方面的应用。丰硕的成果与业界的广泛认可,为史才军赢得了众多荣誉,至今他已取得中国专利一项,并获得2006年中国建筑材料工业协会、中国硅酸盐学会建筑材料科学技术三等奖、2007年重庆市自然科学二等奖。

  史才军的研究涉及各种工业废渣的活性激发及利用、高性能混凝土、混凝土耐久性、智能自修复防渗漏材料,以及有毒害废物和放射性废物的水泥固化等方面。他参与和主持过一系列由中国、美国、加拿大及韩国政府和公司资助的研究、开发项目,进行了大量的基础理论研究,取得了一批国际公认的研究成果。根据其理论基础成果,史才军成功开拓了一系列工业废渣的应用,并发明了一种耐酸的碱激发水泥混凝土;他率先开展轻质密实混凝土的研究,提出的材料设计方法被ACI自密实混凝土设计指南采纳;他将纤维和废玻璃粉有机结合使用,研制出了具有优异性能的纤维增强超轻质混凝土;他还发明了新型智能自修复防渗漏材料,提出了有毒害和放射性废物水泥固化处理的技术路线和评价体系。

  近年来,世界各国都在推行节能减排,并计划将一些废气收集、提纯其中的二氧化碳,将其储存在废油井或海底。混凝土制品在成型后通常需要进行蒸汽养护,蒸汽养护是一个能耗高时间长的过程,一般需要的时间为18-24小时,而二氧化碳养护混凝土过程所需时间的只有4-6小时,而且经二氧化碳养护的混凝土制品,其许多性能均比蒸汽养护的混凝土制品要优越得多。对此,史才军发明了一种用二氧化碳养护混凝土制品的新技术,并已申请了国内专利。

  多年磨一剑,终见成效。如今,史才军已经是湖南大学985工程科技创新平台首席科学家、博士生导师、纽约州立大学水牛城分校兼职副教授、加拿大安大略省注册职业工程师、美国材料与试验学会 (American Society for Testing and Materials,ASTM)、加拿大标准协会(Canadian Standard Association,CSA)及国际施工材料、系统和结构实验室以及专家联盟(The International Union of Laboratories and Experts in Construction Materials, Systems and Structures,RILEM)中多个专业学会的会员,并于2001年和2007年,分别当选为国际能源研究会(International Energy Foundation)和美国混凝土学会(American Concrete Institute, ACI)的会士(Fellow)。

  矢志不移 助力环保

  改革开放相当长的一段时期以来,我国国民经济的迅速发展是以环境为代价的,基础设施建设大规模地展开,导致了各种工业废渣也迅速地增长。据资料统计,2007年我国原煤产量已超过25亿吨,粉煤灰量约达3.1亿吨,加上煤矸石以及油页岩渣,仅此工业废渣就将超过6亿吨。另外,还有矿渣1.5亿吨,钢渣7000万吨以及大量的尾矿。这些废渣大部分是堆积废弃,这不仅占用了大量土地,而且严重污染环境。同时,基础设施建设需要使用大量的土木工程材料,这些材料的生产要消耗大量的自然资源和能源,排放出大量的有害气体。这就大大超过了环境的自净化能力,造成环境污染加重。

  针对目前我国环境污染和生态破坏已达到自然生态环境所能承受的极限这一现状,为了缓解巨大的环境压力,使经济增长可持续发展,必须以环境友好的方式推动经济增长,节能减排已经成为我国强力推行的重大举措,同时也是社会关注的焦点。

  工业废渣一方面具有危害性,另一方面它又是可再利用的资源。有效利用工业废渣来制备高性能的土木工程材料,不仅能节省资源、减少或消除因堆放工业废渣而产生的污染,还将可能进一步提高材料本身的性能和响应基础设施的结构耐久性,延长其使用寿命。因此,合理利用工业废渣,促使资源的综合利用,成为当今建材领域专家学者科研的目标。在这样的国内、国际背景下,作为建材领域的顶峰人士,史才军教授研究了利用工业废渣制备各种绿色高性能土木工程材料,其中包括新型智能自修复防渗漏材料、高工业废渣掺量高性能复合水泥和碱激发水泥混凝土。

  智能自修复防渗漏材料,其原理就是利用两种相邻放置的矿物在其接触的界面处发生化学反应从而形成一层非常致密的防渗漏层以达到防渗漏功能,当防渗漏层发生破裂时,这两种矿物质在破裂处重新接触,并形成新的防渗漏层实现自修复。智能自修复防渗漏材料在岩土、环保、水利等领域有着非常广阔的应用前景。火山灰质材料是智能自修复防渗漏材料的主要组分,而工业废渣中的粉煤灰、铜渣、硅灰等都具有火山灰活性。史才军教授研制的新型智能自修复防渗漏材料,就选用不同工业废渣或它们的复合作为原材料,成本低、破裂后能自修复、抗渗透性好、耐久经用、对污染质有很好的吸附作用,而且可以用回收循环材料作为反应物,并可在不同环境中应用。当时韩国政府正在设计修建一个世界上最大的垃圾填埋场,他们测试了市场上所有的防渗漏材料,均不能满足其要求。在听说了史才军教授发明的防渗漏材料后,他们立即从韩国赶到加拿大商谈技术转让事宜,随后史才军教授多次赴韩进行了试验室及现场的示范和测试后,这种材料最终被韩国政府采纳,防渗漏材料部分的造价达到两亿美元,史才军教授设计了防渗漏材料部分的施工和现场监测。

  工业废渣在水泥混凝土中的应用在国内外均有丰富的科研成果和使用经验。碱激发水泥通常是由工业废渣和碱组分组成,是一种无熟料水泥,其原材料可以采用水淬高炉矿渣、电热磷渣、有色金属矿渣、钢渣、粉煤灰、硅灰等。碱质组分可以再用工业产品,如氢氧化钠、碳酸钠、碳酸钾、水玻璃等,与硅酸盐水泥的生产和性能相比,碱激发水泥具有生产工艺简单、投资省、生产能耗低、能有效利用工业废渣、生产过程排放的温室气体少(约为普通水泥的10%)、综合技术性能特别是耐久性优良等特点。因而用碱来激发工业废渣生产高性能胶凝材料和混凝土引起了世界范围内广泛的兴趣,也已经得到了一些应用。但是,碱激发水泥和混凝土的收缩较大、容易开裂,使其应用受到限制。史才军教授研究了粉磨过程中力化学和助磨剂对几种常见工业废渣的物理和化学特性的影响,然后将这两种因素有机结合起来,外加合适的化学激发剂,从而制备出性能更优良的碱激发水泥混凝土材料。

  水泥工业是消纳工业废渣的最重要途径,目前国内工业废渣如矿渣、钢渣、颗粒较粗的粉煤灰等,必须经过粉磨才能在水泥生产中作为水泥混合材使用。粉磨是水泥生产过程中的一个重要环节,也是消耗电量最大的一个工艺环节。每生产1吨水泥,大约需要粉磨物料约2-2.5吨,其用电量约占水泥全部用电量的70%。水泥生产现在还是使用传统的球磨机进行水泥粉磨,球磨机粉磨效率低这一缺点长久以来一直没有得到明显改善。在球磨机所消耗的能量中,相当一部分能量转变为声能、热能等,而电能有效利用率只维持在5%左右。水泥助磨剂在国外已经普遍使用,但在国内只有少部分的水泥在使用,史才军的理想就是将其研发的环保型的高效水泥助磨剂在中国广泛推广使用。在多年活性激发剂和水泥化学方面研究的基础上,史才军教授研制出了环保型的高效水泥助磨剂,它能提高粉磨效率10%~30%,水泥中多掺工业废渣5-10%。该产品已由几个工厂生产,并已有多家大水泥厂在使用。光这一技术,每年全国将节电约5兆千瓦、节约78万吨标准煤、减排5千万吨CO2,水泥厂产生纯利润 50-70亿元。

  自打进入这一行以来,史才军教授每天都扎在工业废渣等废料堆里,只有亲身熟悉了这些污染物的特性,才能实现他净化环境、节能减排,还世界一片蓝天的美丽梦想。

  满载荣誉 难忘乡情

  在多年不懈的科研工作中,史才军教授已经累计发表高水平科研论文130余篇,出版了英文专著1部(第一作者)、英文编著四部 (三部第一作者、一部第二作者),中文译著1部,合编英文国际会议论文集2本,组织和主持了3个国际学术会议及3次专题研讨会,在各类国际学术会议或研讨会上20多次应邀担任专家委员会委员或分会主席、十多次应邀做主题报告和大会报告,被世界各地30多所大学和大公司应邀做学术报告或专题讲座,并应邀为30多种国际学术期刊和多个国际会议审稿,为美国国家自然科学基金会评审和评选项目申请书, 为加拿大国家科学与工程基金会、环保部、国际发展署、大专院校协会及比利时的鲁汶天主教大学评审了多份项目申请书。同时,史才军教授开发了多个新技术和产品,已获四项美国专利和一项中国专利授权。

  近几年里,史才军在中国组织和主持了两次有关自密实混凝土和一次有关化学激发胶凝材料的国家会议,他邀请了许多在这些领域的国际权威专家到会议上来做报告,为促进我国水泥混凝土材料的发展及与国外的交流和合作起到了很大的作用。同时,他也将自己的学生送到国外先进的实验室进行学习和联合培养,让学生们学到更多国外先进的东西。

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