重磅!2020年度全球工程前沿报告发布!水利土建领域分析抢先看!

发布时间:2021-01-14

1工程前沿.png


前言


2020年12月,中国工程院《全球工程前沿 2020》报告在京发布。


工程科技是改变世界的重要力量,工程前沿是工程科技未来方向的重要指引。中国工程院作为国家工程科技领域最高荣誉性、咨询性学术机构,肩负着发挥学术引领作用、促进工程科技发展的历史使命。2017 年以来,中国工程院连续组织开展“全球工程前沿”重大咨询研究项目,旨在按年度分析全球工程研究前沿和工程开发前沿,研判全球工程科技演进变化趋势。


2020年度全球工程前沿报告涉及机械与运载工程、信息与电子工程、化工冶金与材料工程、能源与矿业工程、土木水利与建筑工程、环境与轻纺工程、农业、医药卫生、工程管理9个领域,采用专家与数据多轮交互、迭代遴选研判的方法,共遴选出2020年度93个工程研究前沿和91个工程开发前沿。


本文重点对土木、水利与建筑工程领域的工程研究前沿与工程开发前沿中的道路工程&水泥混凝土研究情况进行分析。



01、工程研究前沿


土木、水利和建筑工程领域Top10工程研究前沿汇总表如下,涉及结构工程、土木建筑材料、交通工程、建筑学、暖通空调、市政工程、测绘工程和水利工程等学科方向。其中涉及到道路工程&水泥混凝土中的有:“纳米改性土木工程材料”、“道路、轨道材料与结构的性能演变及耐久性设计原理”

工程前沿3.png

工程前沿4.png


1.1、纳米改性土木工程材料


现代土木工程对混凝土材料提出了更高的要求,传统意义上混凝土宏观结构复合与单一性能提升,很难满足此目标,基于多尺度理论指导下纳米层面的微观结构调控、功能优化提升是混凝土材料自我提升的可行性道路之一。


通过纳米材料掺杂,开形成豚凝材S的量化化,实现水泥微观结构调控疹我伺九,心等分子,实现与水泥材料的化学配位与杂化;或加入非反应性纳米粒子,调节实现水泥水化产物凝胶分子结构;或引入表面活性纳米粒子,与水泥凝胶间搭建具有高延展性的纳米桥;通过水泥凝胶纳米尺度的优化与调控,,实现低纳米粒子掺量下显著提高混凝土韧性和耐久性的目标;通过纳米材料引入,赋予或拓展传统混凝土材料无法拥有的性能,实现混凝土功能优化提升;通过纳米掺杂驭衣里冻漫,PPH=全如导电性、自清洁性等特性;亦可通过压电等纳米粒子添加,实现混凝土材料自感知的能力;或通过修复功能纳米粒子设计,实现混凝土物理/化学的修复功能。


通过纳米材料引入,实现混凝土材料的功能化提升,确保其满足现代土木工程对结构-功能一体化的苛刻要求。


通过理论分析和仿真模拟方法的引入,实现纳米改性混凝土的理性设计,综合运用计算化学等手段,建立混凝土微观结构的纳米优化策略;通过大数据分子模型的指导,解析纳米粒子对混凝土材料的影响规律,实现高性能、多功能纳米改性混凝土的顶层设计和理性掺杂。


以理论分析和数值模拟指导的纳米改性混凝土材料设计,结合先进的纳米颗粒分散技术;实现水泥胶凝材料微结构调控,赋予混凝土材料功能化特征;是纳米改性混凝土材料发展趋势。


从2014年至2019年,核心论文篇数为74,被引频次为3995,篇均被引频次为53.99。


1.2、道路、轨道材料与结构的性能演变及耐久性设计原理


道路材料与结构的性能演变及耐久性设计原理是指道路材料与结构在服役期间承受交通荷载与环境因素的反复作用,引起其内部损伤逐渐累积、服役功能逐渐退化,基于对损伤累积及功能退化规律的揭示,开展道路材料性能提升、结构组合优化的研究,建立道路耐久性设计的理论与方法。


主要研究方向包括:采用多尺度的理论分析、数值模拟以及室内外试验的方法,,揭示道路材料与结构的性能演化规律,客观表征道路材料与结构的服役行为;采用材料改性技术,提高道路材料的耐久性;考虑道路材料与结构的实际工作条件与拉压特性不同的本质特征,采用更加精准的结构设计方法提高道路耐久性设计的精度;通过道路长期性能的研究,提出更加科学的道路结构设计模型;通过耐久性道路的结构优化,以及采用科学的预防性养护技术,提高道路的使用寿命。


未来发展趋势包括:基于道路长期性能跟踪观测以及加速加载试验,揭示多因素耀合作用下道路材料与结构的性能演变规律;开发高效材料改性技术,以提升道路材料的力学特性以及胶结料与矿料之间的界面黏结特性;针对道路材料与结构的实际服役行为,建立道路材料力学指标与道路结构力学响应预测的协调性分析方法及一体化设计方法。


从2014年至2019年,核心论文篇数为56,被引频次为1584,篇均被引频次为28.29。


02、工程开发前沿


土木、水利和建筑工程领域Top10工程开发前沿汇总表如下,涉及结构工程、城乡规划与风景园林、交通工程、岩土及地下工程、桥梁工程、土木建筑材料、市政工程、水利工程、测绘工程等学科方向。其中涉及到道路工程&水泥混凝土中的有:“极端环境下水泥基材料性能及微结构调控技术料”、“可调控超高性能混凝土设计”。此外,Top3前沿中的“极端条件下地下工程智能建造技术与装备”也涉及到道路工程。

工程前沿5.png


2.1、极端环境下水泥基材料性能及微结构调控技术


工程结构的极端服役环境包括超低温、极高温、强腐蚀、强辐射、强磁场、超高压、高真空及复杂荷载等多类复杂环境。


这类极端环境作用可对正常服役的水泥基材料性能造成显著的劣化后果,严重威胁工程结构的安全性。随着人类探索领域的拓展延伸以及现代建造技术的不断发展,世界主要国家对极端环境工程建设的需求逐渐增加,极端环境下水泥基材料具有广阔的应用前景。


因此,有必要针对极端环境下水泥基材料力学性能与耐久性能演变规律开展研究。水泥基材料的微结构与其性能密切相关,针对特定的极端服役环境,基于水泥基材料性能需求,发展水泥基材料共性微结构调控技术,是提高其极端环境服役安全性及寿命的有效手段。


为此,需利用先进测试表征手段并结合计算机模拟技术从多尺度角度研究极端环境下水泥基材料微结构特征演变,揭示其深层次劣化损伤机理,而后从原材料优化筛选、配合比优化设计、微结构构建设计等角度提出相应的多尺度复合结构调控技术。


针对不同极端环境下的结构性能需求,重点着眼于发展水泥基材料水化进程及水化产物时空分布调控、水化硅酸钙微纳性状设计、孔结构优化、界面过渡区结构增强等几类微结构调控技术。


从2014年至2019年,专利公开量为473,被引频次为977,平均被引频次为2.07。


2.2、可调控超高性能混凝土设计


超高性能混凝土(UHPC)是近20年发展起来的最具创新性的一种水泥复合基材料。它的设计和制备主要基于颗粒最紧密堆积理论,通过减小孔隙率、改善微观结构、增加匀质性、提高韧性获得。


相较于普通水泥基材料,UHPC具有超高强度、高韧性和优异的耐久性,能很好满足土木工程轻量化、高层化、大跨化和高耐久化的需求,在桥梁工程、抗爆结构、薄壁结构、建筑装饰、海洋工程、修复和加固工程等领域具有广、泛的应用前景。


通过调控超高性能混凝土的组分设计和制备工艺,可以调控它的一些重要性能,包括韧性、抗冲磨性、弹性模量、修复相容性、电阻率等,最终实现它在土木工程领域中的不同应用。


在充分认识UHPC材料和微观结构特性的前提下,根据工程需求,定能实现它在不同工程领域的广泛精准应用,显著提高结构的安全性、使用寿命和社会可持续性。


从2014年至2019年,专利公开量为15,被引频次为17,平均被引频次为1.13。


2.3、极端条件下地下工程智能建造技术与装备


极端自然环境下,人员和装备耐受限度、机械设备工作效率急剧下降,生态环境保护要求也极为苛刻;极端复杂地质条件下,极易发生链式地质灾害,引发重大事故。以川藏铁路、公路为例,工程隧道占比高、埋深大,穿越多条极活跃断裂带,高地应力、岩爆及软岩大变形问题异常突出,滑坡、落石和泥石流风险极高;海拔落差极大,高原地区冬季气温极低,地温非常高,沿线生态环境敏感脆弱,因而在建造过程中智能建造技术与装备的需求十分迫切。“进 藏高速公路智能建造及工程健康保障技术”列为中国科协2020年十大工程技术难题之一。


当前全球地下工程行业发展态势良好,但仍存在标准化、信息化、智能化水平偏低等问题,与先进建造方式相比还有很大差距。随着新一轮科技革命和产业变革向纵深发展,以人工智能、大数据、物联网和5G等为代表的新一代信息技术加速向地下工程行业全面融合渗透。


目前,极端条件下地下工程智能建造技术与装备的研究方向有:


(1)建造方法,传统的新奥法、新意法等是一种在地质信息不完备条件下首先半经验半理论设计、再在施工过程中不断监测与调整的动态反馈式建造方法,随着地下工程新型感知、数据传输、BIM/GIS和信息集成等技术的发展,建造方法正在向“采集-设计一施工”一体化、智能化方向发展。


(2)设计体系,包括基于BIMGIS的数字化设计体系和全过程信息集成平台,实现设计、制造、施工协同,并与运营维护一体化。


(3)生产加工,包括推进工艺流程数字化和机器人应用,实现地下工程衬砌结构生产数字化和智能化,实现少人甚至无人工厂。


(4)智能施工,包括极端条件下地下工程地质灾害智能预报和控制研究,推动灾害防控的精细.探测和智能控制;作业现场信息智能采集与反馈、自动立体感知与定位、数字孪生平台、专家远程诊断、工程质量智能检测与控制,实现隧道施工自动化,减少现场人员数量和工作量。


(5)智能装备,包括人机协调和自主学习的智能装备、智能施工机器人和自动作业类脑控制器,极端条件下风险环境感知和精准作业控制的机器人化装备、高可靠智能互联装备、全类别地质环境风险识别处理的智能互联装备,实现提高装备的性能、效率和智能化程度。


(6)智能运维,包括极端条件下地下工程运行环境和结构健康的在线监控、结构服役性能智能诊断和智能维护,事故预防及救援,以及灾害预警与控制。“极端条件下地下工程智能建造技术与装备’工程开发前沿的核心专利为274篇,平均被引频次为2.11(见表2.1.1),排名前3的国家为中国、美国、加拿大(见表2.2.3)。


中国机构或个人所申请的专利占比达到了91.97%, 是该工程开发前沿的重点研究国家之一,平均被引频次为1.62。 

工程前沿6.png


来源:网络


水利版尾.png

热门推荐