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一百年前，用鋼筋混凝土造房子屬于“尖端技術”，剛剛從歐美傳到國內，只有具備雄厚實力的建造者才會采用。過去的50年里，鋼筋混凝土結構已經成為我們最常見的建筑形式。未來的50年里，我們的建造業會是什么樣呢？
同濟大學土木工程學院副教授余江滔
余江滔及其團隊
“中國是世界上人口老齡化最嚴重的國家之一。有效勞動力供應不足將會成為中國未來建筑業的巨大阻礙。此外，未來的建筑可能出現在高原、雪山、沙漠、海洋甚至地外星球等復雜場地，以人力為主的傳統建造技術將難以適應。自動化建造甚至無筋建造會成為解決方案之一。” 同濟大學土木工程學院副教授余江滔告訴新材料在線?。
鋼筋與混凝土的組合很好，但不完美
近年來，科學家和工程師為實現自動化建造而不斷努力。在混凝土領域，建筑3D打印已經成為自動化建造的代表之一，波特蘭水泥基材料的成本低、易成型、抗壓強度較高且具有較好的耐候性，則是建筑3D打印的首選材料。
舉例來說，2014年美國明尼蘇達州的個人承包商Andrey Rudenko用一臺3D打印機在后院打印出了一座漂亮的中世紀城堡；2016年，土豪之都迪拜推出了全球首座3D打印辦公室。
無論是中世紀城堡還是3D打印辦公室，均采用混凝土砂漿作為打印材料。但是混凝土具有天生的脆性，在受拉時混凝土容易開裂，開裂后混凝土會失去幾乎所有的抗拉能力。因此，世界上現有的絕大多數3D打印建筑都必須在打印墻體空腔內填充普通的混凝土和鋼筋，以保證建筑的安全。通過人工填充混凝土和鋼筋，實際上有違自動化建造的初衷。
3D打印建筑
混凝土離不開鋼筋，這是100多年來土木工程界的公論，也是混凝土自動化建造的最大阻礙。
“真正的自動化建造需要什么樣的材料？首先，我們要知道為什么鋼筋混凝土結構尚且可靠。”在與新材料在線?交流時，余江滔給出的答案是：“主要原因之一是鋼筋，因為鋼筋具有應變強化和超高的變形能力，其變形能力是混凝土的千倍以上。這是經典的鋼筋混凝土建筑能夠提供安全庇護，可以經歷地震考驗的原因。混凝土自動化建造的關鍵在于尋找一種抗拉強度高、且具備鋼材延性的材料。”
余江滔及其團隊
豬隊友、菜隊友、神隊友和1+0>>1的故事
“世界上是否真有像鋼材一樣變形的混凝土呢？”余江滔打趣說：“這是一個豬隊友、菜隊友和神隊友悲歡離合的故事。”我國建筑規范要求抗震鋼筋的拉伸率不低于9%（最大強度），算是神隊友。相比而言，混凝土的開裂應變僅為0.02%左右，幾乎可以忽略不計，是不折不扣的豬隊友。鋼筋混凝土的組合是豬隊友和神隊友的折衷，變形能力介于2%-9%之間。
現有的高性能混凝土怎么樣呢？著名的Ultra-high performance concrete（UHPC）是高性能混凝土的代表。UHPC即是用短切鋼纖維增強的高強度混凝土。鋼纖維的變形能力約為3%-6%。與混凝土組合后，UHPC的變形能力降至0.5%-1%之間。豬隊友拉了神隊友的后腿。
有沒有可能1+0>1呢？美國密歇根大學的講座教授Victor C. Li創造了一個魔法。早在20年前，Li教授嘗試將超高分子量聚乙烯纖維加入混凝土中。超高分子量聚乙烯纖維抗拉強度超高，是鋼材的5-10倍，但拉伸率約3%，僅鋼材的1/3，屬于菜隊友。經過Li團隊的特殊設計，聚乙烯纖維混凝土的拉伸性能達到了3%-5%。能力一般的菜隊友和豬隊友一起實現了1+0>1。為此，該材料的創始人Victor C. Li稱之為Engineered cementitious composites，即經工程設計的水泥基復合材料。
ECC是一種應變硬化水泥基材料
1995年之后，Li教授與日本的東京大學學者和企業界的工程師共同研究，發現了另一種可用的纖維，即聚乙烯醇纖維，從此Li和世界大多數研究者們走上了采用聚乙烯醇纖維增強混凝土的道路。聚乙烯醇纖維的拉伸率可達到5%以上，但聚乙烯醇纖維混凝土的拉伸變形能力約在3%-5%之間，已經不完全是一種1+0>1的材料。
從密歇根大學回來后，余江滔與同濟大學的師生們一起嘗試制備更高性能的纖維混凝土，希望混凝土終有一天能達到鋼材的變形能力。有人認為這是不可能實現的任務，更有人認為，混凝土完全沒有必要具備這樣的性能。“我們始終認為，如果經典的鋼筋混凝土材料也只能勉強抵御天災人禍的話，我們有什么權利將無筋材料的性能降到這一標準以下呢？”
余江滔及其團隊
“從2012年到現在，同濟大學的30多名師生參與了這項研究。我們日夜工作，嘗試過7-8種纖維、幾十種不同的摻合料，進行了幾千次試驗。博士生俞可權發現采用超高分子量聚乙烯纖維仍是最有效的，于是我們不斷地進行聚乙烯纖維的篩選和改性，尋找最合適的基材配方。這一過程中，俞可權的貢獻總是最大的。我們發現，在正確的選材下，材料的最大抗拉強度可達20MPa，平均拉伸應變達到8%，最大拉伸應變達到12%以上，變形能力是原世界最高水平的2倍左右，這是有史以來第一次混凝土材料的變形能力達到了建筑鋼材的水平。我們將這個材料命名為Ultra-high ductile cementitious composites (UHDCC)。”余江滔介紹說：“有趣的是，我們用的聚乙烯纖維的變形能力仍然為3%，但與豬隊友組合后，材料的變形能力甚至超過了10%，實現了1+0>>1，逆襲了神組合。
超高延性纖維混凝土（UHDCC）
“我們的設計方法還具有普適性。”余江滔說：“采用我們的纖維增強方法，超早強的硫鋁酸基混凝土、強粘結力的氯氧鎂基混凝土、裝飾性的石膏、海水海砂混凝土、比水輕的泡沫混凝土等等脆性材料都變得可以象鋼材一樣拉長和彎曲。”
當混凝土離開鋼筋
具備鋼材變形能力的混凝土具有廣闊的應用前景，目前比較切實的應用是鋼橋面的鋪裝、橋面連續構造和預制構件的聯接。余江滔說：“但我們始終將無筋建造視為終極夢想”。
“我們進行了無筋的UHDCC梁和柱試驗，發現其承載力和延性與正常配筋的混凝土梁、柱相差無幾，說明材料具有無筋建造的潛質，但我們仍期待最嚴苛的考驗。一個建筑物經歷的最大考驗，是千年一遇的超級地震，那是真正的試金石。世界上的超高性能混凝土很多，但敢于不配筋接受這種考驗的材料一個也沒有”。余江滔想了想說。
“UHDCC高”柱與普通混凝土柱破壞模式對比
考慮到歷次地震中，框架房屋比較容易發生倒塌，余江滔及其團隊用UHDCC建造了一個兩層樓面的框架房屋，同時還建造了一個普通鋼筋混凝土框架與之對比。他們將框架安裝在同濟大學土木工程防災國家重點試驗室的4m×4m的振動臺上，選取了美國El centro波、日本Kobe波和上海人工波三種地震波，讓框架經歷從7.5度多遇到9度罕遇地震。
四川是個多地震省份，四川省絕大多數地區的抗震設防烈度也不過8度而已，中國只有極少數地區的設防烈度達到9度，而罕遇地震屬2475年一遇的地震，不折不扣的千年等一回。完全不配筋的房屋經歷這樣級別的地震，其挑戰性可想而知。試驗前，余江滔及其團隊完全不知道框架能否堅持到最后，唯一的支撐來自于對材料的信任。
普通RC框架的振動臺試驗（地震）
UHDCC框架的振動臺試驗
“和鋼筋混凝土框架相似，我們的無筋框架在不斷增強的地震中搖擺。但是無論怎么樣的驚濤駭浪，它都舉重若輕地承受下來。從外觀看，即沒有多少殘余變形，也沒有明顯的破壞，給人的感覺是‘輕舟已過萬重山’”。據余江滔介紹，無筋框架體現出了許多令人驚喜的地方，比如說耗能能力強，地震放大效應小等。無筋框架達到了“小震不壞、中震可修、大震不倒”， 甚至 “巨震不倒”的水平。就這樣，無筋建造的可能性被驗證了。
“鋼筋混凝土已經如此成熟、且物美價廉，你還費心研究這種既麻煩又昂貴的材料干什么？”余江滔經常會遇到這樣的問題。他的回答睿智而冷靜：“幾百年前，法拉第也遇到過類似的問題。法拉第發現電磁感應之初，有人質問，這有什么用處呢？法拉第的回答是：一個新生的嬰兒有什么用處呢？不是嗎？從眼前看，嬰兒一點用也沒有，既麻煩又花錢。但我們絕不會因此而放棄孩子，也不會懷疑他/她終將長大成人，我們總是希望孩子能成為法拉第或居里夫人，我想這就是答案吧。”
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