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李辉:生态道路科技梦

来源:  发布时间:2016-03-15

  “道路等土木设施工程与环境工程有什么关系?”在网络中,类似这样的问题有不少。事实上,两个看似独立的学科之间存在着许多内在联系。如今,在进行土木工程建设与研究过程中,同时平衡考量其对环境的影响因素,致力于建立生态、可持续的土木工程学科发展,这已经成为国外土木工程学科发展的主流。
  近些年来,环境问题在全世界范围内引发极大关注,我国对于环境保护与环境工程的重视程度也提升至前所未有的高度。各个学科与环境工程的交叉研究迫在眉睫,土木工程就是其中重要的一项。
  2015年由中组部国家“青年千人计划”引进回国的李辉教授,正是在道路工程与环境工程领域从事多年研究的青年学者。7年前,他选择出国深造,拓展学科眼界,如今,他在科研的壮年回国,为了投身祖国建设需要。
  
深入交叉学科
  
  2001年,李辉本科考入东南大学土木工程专业。4年后,他以优异的成绩被保送本校攻读硕士研究生,在土木工程的大学科下,他选择了道路与铁道工程专业作为自己的研究方向。
  研究生毕业后,李辉希望到国外继续深造,“在土木工程领域,国外无论从技术还是理念上,都有值得我们学习的地方”。2008年,李辉进入加州大学戴维斯分校土木与环境工程系继续攻读博士学位,从此涉足土木工程与环境工程的交叉研究。
  李辉介绍,美国多数大学的土木工程专业都被叫做土木与环境工程专业,因为土木工程除了传统的结构工程、桥梁工程、岩土工程、交通工程之外,还会涉及水资源、大气等环境工程,要把环境放在土木工程中考虑。“土木工程与环境本身就是密切相关的。”
  加州大学戴维斯分校本身就有着注重环境科学的传统,学校在各个学科领域都对环境研究有所偏重。李辉在土木与环境工程专业的方向是交通,在专业课中,环境工程也是必修课。在这种氛围的熏陶下,李辉很快就对土木工程与环境相关的交叉领域产生了浓厚兴趣。因此在攻读博士学位期间,李辉还攻读了本校的环境与资源经济学硕士学位。
  李辉的博士论文是有关凉爽路面的研究。人们所见的传统道路路面,不管是城市道路、机场道面还是高速公路路面,大部分都是黑色沥青路面。黑色路面吸热能力强,在38摄氏度左右的室外气温下,路面温度甚至高达六七十摄氏度。高温会带来路面损坏,缩短其寿命,同时,路面高温亦会间接造成空气温度升高,恶化城市热岛效应。
  是否有办法降低路面基础设施对环境的不利影响呢?这就是李辉开展凉爽路面研究的初衷。事实上,这一概念此前已有,然而相关的试验工作相对较少。以往研究主要强调提高路面反射率,李辉指出,这种做法容易将路面热量反射到建筑、车辆甚至人体上,造成建筑和车辆制冷能耗增加,更会对人体健康带来不利影响。
  通过大量模拟和实验工作,李辉在博士论文中阐明了提高路面反射率后的降温效果,以及可能造成的不利影响。李辉的工作将凉爽路面向可行性应用带进了一大步,大量研究成果被美国联邦公路局第一部《可持续路面系统指南》所采用。2012年,美国加州政府州长签署通过了一个法案AB 296,旨在进一步推进凉爽路面的研究与应用。这一法案即建立在李辉的研究基础上。
  
科研成果全面开花
  
  2012年年底,李辉进入加州大学路面研究中心(伯克利-戴维斯),从事博士后研究工作。2014年,他成为该研究中心的项目科学家,与该中心的Carl Monismith院士和John Harvey教授开展合作研究。在此期间,李辉有多项兼具理论与实用价值的科研成果相继诞生。
  基于城市地表雨洪管理的透水路面研究,启发于凉爽路面的研究。在研究凉爽路面的反射率期间,李辉关注到沙漠中沙子的反射率很高,但沙漠依旧温度很高。这是由于沙漠没有水分蒸发造成的。而城市路面除了黑色沥青路面容易吸热外,大部分路面的不透水性也是路面降温不利的一大原因。“近年来,国内许多大城市经常出现一下雨就‘看海’的现象,其实路面也会对城市内涝产生一定影响。人们在努力考虑交通承载功能和延长路面寿命的同时,将路面做得密实、硬化,导致路面不透水不透气,一旦下雨后地下管线的排水能力不足,就会加剧内涝。”同时,路面不透水还容易引发水污染问题,城市雨洪将路面的汽油、金属等污染物冲刷到河流后会造成水体污染。
  研究透水路面的难点在于,既要考虑路面的承载力和耐久性,也要在一定程度上恢复路面的生态功能。为此,李辉开发了新型全透水路面材料的力学(面层、基层和土基材料的强度、模量、抗车辙性能、疲劳性能等)和透水性能的试验评价方法,提出了不同透水路面材料(透水沥青混凝土、透水水泥混凝土及透水铺砖)和路面结构的设计原理和方法,并利用重载模拟车HVS加速加载试验路验证了透水铺砖路面在重载交通条件下的实际路用性能,并探究了降低空隙堵塞问题的透水路面的施工工艺和养护技术。
  该研究完善了平衡强度和透水率的透水路面材料的设计和评价方法,首次提出了透水路面结构的力学和水力双性能设计方法,并验证了部分透水路面在重载条件下的设计方法和实际路用性能,有效推进了该功能路面的工程应用。
  如今李辉的这项研究已经在美国加州、新泽西州等多个州的试验和实体工程中应用,并被采用编写进美国加州交通厅第一部《透水路面设计指南》。透水路面更是我国目前大力推广缓解城市雨洪和水污染的“海绵城市”的一大潜在技术措施。随后,李辉又进行了一些其他项目的研发,并形成了自己环境友好及多功能路面系统的技术研究体系。
  在美国的7年时间里,李辉沿着一个主题研究方向,一方面进行深化,一方面进行扩展。除了上述基础研究外,李辉还从事了道路的全寿命周期分析研究。他说:“要评价一种路面技术是否有效,是否具有可持续性,要将其放在整个寿命周期框架下考虑,而不仅仅是考虑某一个阶段。从建设,到使用、后期养护、回收利用阶段,这些都要放在一起分析考虑。此外还要结合环境影响评价去考虑技术。最终要真正做到基础设施全寿命周期的有效可持续性,推动交通基础设施的可持续性发展。”
  在这项技术研究中,李辉制定了可持续性道路工程全寿命周期分析的框架,收集和完善了各种路面材料和施工技术的环境影响清单,开发和改进了道路使用阶段的各种环境影响分析模型,并集成全寿命周期成本、能耗、排放及污染等计算模型于传统路面管理系统,开发用于道路项目级和网络级的全寿命周期分析应用软件,分析道路项目级和网络级的全寿命周期成本、能耗、排放、污染等多个指标,为道路工程的可持续性发展提供全寿命周期的决策支持。部分研究成果已被加州交通厅用于其新一代基础设施全寿命周期管理系统。
  
与祖国一同进步
  
  2015年5月,李辉回国展开工作,成为同济大学交通运输工程学院道路与机场工程系教授、博士生导师。选择回国源于国家向好的大环境与一个科研人的报国心与成就感。“国家把环境放在越来越重要的位置,强调除了物质文明和精神文明之外,还要建设生态文明。我在美国做了很多工作,都有很好的应用,但始终没有主体感和成就感。作为一个中国人,我还是想能有机会在国内做更多事情。国家现在发展得很好,回来能做更多事和做出更大的贡献。”
  李辉选择同济大学,是由于同济大学与加州大学路面研究中心自上世纪八十年代开始便展开密切合作。近30年来,同济大学持续不断地将人才送去加州大学路面研究中心访问交流,李辉也正是在美国期间,与同济大学开展了不少合作,双方有了交集。同时,同济大学的真诚邀请与提供的实力雄厚的科研条件,也让李辉下定了决心。
  虽然回国仅仅数月,但李辉并没有为科研启动花费多少精力。在国家“青年千人计划”与同济大学的配套政策支持下,李辉获得了充足的启动资金,同济大学交通运输工程学院也给予归国人才全方位的大力支持,作为全国重点学科及教育部重点实验室,学院的主要实验设备一应俱全,整体实力很强,李辉对回国后的科研条件十分满意。
  回国后,李辉希望以同济大学交通、土木、环境等相关优势学科为基础,充分吸收交通运输工程学院道路与机场工程领域丰富的科研经验,依托国家重点学科和道路与交通工程教育部重点实验室等科研平台,围绕重点实验室的交通可持续发展、节能减排和道路工程材料多功能化及高性能化的重大需求为发展方向,针对中国可持续道路交通研究、开发与应用中急需解决的关键技术问题和前瞻性发展问题及相关政策,开展全面多学科交叉的基础和应用研究工作。
  目前,李辉已成功申请到一项国家自然科学基金,他说,这也得益于学校为他提供的帮助,让他得以在回国前就提前准备。“从学校到学院都对我们青年海归教师寄予很大希望,希望我们能够带动学科的国际化发展。我们面临很好的发展机遇,同时也面临巨大挑战。我相信,在这个平台下,我们能做更多更好的事情。”
  当然,一切也并非一帆风顺。李辉坦言,未来一段时间内,他的精力主要将放在团队完善上。目前李辉团队有硕士、博士及博士后多人,他还在物色两名青年教师做助手。“毕竟,一个团队的建设不是一件小事,关系到以后科研的进展。”
  李辉认为,遴选团队成员,除了要有一定研究基础之外,还需要其有较高的研究兴趣。“因为有兴趣才会有激情去从事研究,才不会感到厌倦和疲惫。”对于团队管理,在西方接受多年教育的李辉认为,应结合国情考虑,采用中西结合的管理方式。在团队成员的关系上,他希望为大家提供更加宽松的环境。“团队成员之间应该是相对平等的,大家不应该有层级差别,只有分工的不同。”李辉认为,一个人的知识与精力毕竟是有限的,大家有效分工合作,各自发挥特长,才能共同推动研究发展。
  在指导研究生的过程中,李辉也注重培养他们独立思考与批判思考的能力。主动思考,而不是被动接受,这是李辉对学生的要求。在上课时,他也注意采用引导式的方法,而不是灌输式。“科技进步很多时候是建立在前人研究的基础上,我们发现并改进以前研究中不完善的地方,这样才能进步。”
  尽管刚刚回国,李辉的感悟与见解并不少,他说回国后,摆正心态是最重要的。很多不完善的地方要慢慢改进,祖国也在逐步向好的方向发展。他愿意与祖国、与学科一同发展进步,一点点绘制自己心中的生态科技蓝图。
  
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2024年2月

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