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冷真:不问前路 志在千里

来源:  发布时间:2019-02-19

  ——记香港理工大学土木与环境工程系副教授冷真


  □ 汲晓奇
  
  
  

  
  “衣食住行”是人类生活中最基本的四大需求,从古到今一直伴随着人类的发展历史。新中国成立之前,我国以农业和手工业为主,人们对“衣食住”的需求远远大于对“行”的需求。新中国成立之后,尤其是改革开放以来,随着经济水平和科学技术水平的不断提高,人们的生活满足“衣食无忧”之后,对“行”的需求越来越大,交通基础设施成为我国国民经济发展的重要支柱。
  近年来,随着现代交通对路面性能的要求不断提高以及可持续发展成为社会发展主题,我国交通基础设施从大规模建设阶段进入绿色循环与智能建管养一体化发展阶段,对交通基础设施建设与养护的要求也从传统的耐久性和低成本向综合考虑其全寿命周期的经济、环境及社会影响,以及智能化、智慧化、功能化逐渐转变。因此,我国交通基础设施发展既面临着巨大挑战也迎来了更好的发展机遇。
  面对时代的召唤,面对国家的召唤,2012年7月,冷真从美国归来以终身副教授的身份加入香港理工大学土木与环境工程系(根据2018年QS世界大学排名,香港理工大学的土木与结构工程专业排名世界第10),他结合自身的国际化教育背景及研究经验,从我国交通基础设施当前发展需求出发,重点在环境及生态友好路面技术与材料、交通基础设施无损检测技术与装备等方面展开研究。多年来,他在交通基础设施领域的研究上不驰于空想,不骛于虚声,不懈于奋斗,踏踏实实走好自己的每一步。
  

耳濡目染兴趣生


  说起冷真与土木工程的渊源,不得不提的就是他的父亲。冷真的父亲毕业于南京工学院(东南大学前身)土木工程系道桥专业,一生对自己从事的事业满怀热忱,兢兢业业。耳濡目染中,冷真自小时候起就对土木工程领域的相关知识有所了解。他从父亲那里传承而来的除了土木工程领域的相关知识外,更重要的还有对科研的热爱和老一辈科研者的匠心精神。
  冷真的父亲对自己的母校怀有很深厚的感情,对自己所学专业更是热爱,受父亲影响,冷真进入东南大学交通学院读大学,其攻读方向也与父亲当初的选择一致。
  东南大学交通学院成立于1995年,其前身可追溯到20世纪二三十年代的国立东南大学交通运输系及国立中央大学土木工程系的路工组、50~80年代南京工学院土木工程系的道路教研组、1987年成立的运输工程研究所、1989年成立的交通运输工程系。其研究领域覆盖了公路交通、岩土工程、城市交通、道路交通管理、民航机场、水运港口等部门的综合运输领域,部分学科处于国内领先水平,成为在国内交通领域具有较大社会影响的高新技术研究和辐射的重要基地,科研综合实力名列全国同类院系前列。2017年9月,教育部、财政部、国家发展改革委印发《关于公布世界一流大学和一流学科建设高校及建设学科名单的通知》,公布世界一流大学和一流学科(简称“双一流”)建设高校及建设学科名单。其中,东南大学入选“双一流”建设高校名单(A类),东南大学交通学院的交通运输工程学科入选“双一流”建设学科名单。
  在东南大学交通学院,冷真一直读到了硕士,他勤奋好学,专心钻研,一直保持着优异的成绩。这期间,他每年都获学校一等奖学金,以年级第一获免试研究生资格,还曾作为校足球队成员代表东南大学参加江苏省大学生足球赛。硕士毕业后冷真决定出国留学,他说:“选择出国主要是想出去外面的世界看一看,让自己的人生多一些经历,当时也没有什么特别明确的目标,就是想多经历一些。抱着这样的想法申请了美国的学校,2003年硕士毕业后,我就去美国了。”
  2003年7月至2005年6月,冷真于美国密西西比州立大学土木与环境工程系攻读博士学位。因为当时的博士导师于2005年1月离职,所以,他于2005年8月转学到了美国伊利诺伊大学香槟分校。伊利诺伊大学香槟分校的土木工程与道路工程学科在全世界享有卓越的学术声誉,在这里,冷真学习了先进的理论知识,开阔了自己的科研视野,通过科研实践提高了自己的科研能力,使自己快速成长为了一名合格的青年科研者,其科研锋芒也开始慢慢展现出来。
  说起这段海外经历,冷真坦言道:“在美国伊利诺伊大学香槟分校,我学到的不仅仅是先进的知识与技术,更重要的是做科研的态度。在这里,人们的研究更加务实严谨,多数科研工作都是从土木工程中的实际问题出发。不管科研的题目大小,都会一视同仁,以真正解决实际问题为导向。我觉得这是让我很尊敬的一点,其实,踏踏实实去做一些细小的研究,去解决一些实际问题,最后积累下来都可能实现大的突破。”
  

笃志好学科研梦


  无损检测对于交通基础设施的施工质量保证、使用性能评估、有效管养决策具有重要的意义。和传统的开挖、取芯、钻孔等破坏性检测方式相比,无损检测具有不破坏交通基础设施结构完整性、交通运营干扰小、快速提供连续大面积数据等显著优点。但是,无损检测技术与装备的研发与应用,涉及土木工程、电子工程以及动力学等多学科的综合交叉。当前学科交叉深度的缺乏导致该领域的研究相对滞后,工程实用性依然有待大幅度提高。
  冷真自博士阶段开始从事基于探地雷达技术的交通基础设施无损检测研究,他依托美国联邦航天局(FAA)科研项目,创立了使用探地雷达对沥青路面及机场跑道施工进行快速连续及无损检测并判别施工质量的方法。研究过程中,如何通过无损检测工具将采集到的电磁信息与沥青路面的体积参数建立可靠的数学关系是冷真及其团队重点攻克的难题,而解决这一问题就涉及了土木工程与电子工程的交叉知识。为了顺利完成这一研究,冷真专门修学了电子工程的相关课程,他说:“这一课题本质上是交叉性的,完全依靠我们的知识背景没有办法解决,所以我不得不硬着头皮去学一些对我们研究有用的其他相关领域的理论知识,这个过程其实还是蛮辛苦的,但学习的这些知识对解决土木领域的一些问题也确实起到了非常重要的作用。”
  在深入学习了电磁信号和信号处理等相关知识后,冷真从电磁混合理论出发,提出了具有严格物理意义的沥青路面密度与介电常数之间的关系模型,为沥青路面密度的准确预测奠定了理论基础。模型建立之后,冷真及其团队通过建立不同材料,不同路面密度的试验段进行数据采集,对模型进行了验证。在采集的过程中,为了完成一个连续的采集,冷真时常一个人开着探地雷达检测车在试验段上反复跑。为了更好地验证模型,冷真还跑到多个实际的施工现场去采集数据。通过这些研究工作,他不但揭示了不同探地雷达数据采集方法对检测精度的影响机理,还建立了通过探地雷达数据实时监测沥青路面压实过程的有效方法。
  经美国伊利诺伊州及威斯康星州的现场数据验证,冷真提出的新型沥青路面密度检测方法的精度达到并优于美国普遍采用的基于核子密度仪的现场密度测试方法。此外,传统的钻芯取样及基于核子密度仪的检测方法只能提供有限检测位置的点数据,而采用探地雷达方法可以快速提供连续的线和面的数据,显著提高了路面施工质量数据检测结果的可靠性。
  铁路道碴污染是一种严重危害铁路承载力、排水及运营安全的病害。依托美国铁路协会(Association of American of Railway)科研项目,冷真开创性地将时频域综合分析法应用于铁路道碴探地雷达数据的信号处理,突破了传统的时域采集雷达信号无法准确识别干净与污染道碴分界的工程技术难题,实现了对铁路道碴污染的快速无损检测。该方法的有效性及准确性得到了室内及现场试验结果的验证。
  基于这些研究,冷真作为第一完成人获得了2009年美国联邦航天局(FAA)大学设计竞赛第二名及2011年伊利诺伊州第52届沥青铺面会议创新研究奖,在NDT&E International、Journal of Transportation Engineering等国际知名无损检测及交通期刊发表SCI论文9篇。截至2018年12月,这些论文在Google Scholar已累计被引用269次。
  

砥志研思务实路


  道路结构层间的良好粘结是保证道路结构完整性及路面耐久性的重要因素。薄弱的层间粘结或结构层间粘结力丧失是导致许多路面早期病害的主要因素。层间的粘结力通过在层间喷洒基用沥青材料的粘层油实现,但粘层油用量过多或过少均会导致粘结力不足,而且不同类型的粘层油也会导致不同的层间的最大粘结力。
  在美国伊利诺伊州交通运输厅科研项目资助下,基于室内剪切试验、现场加速加载试验及数值模拟,冷真全面评估了包括粘层油类型、粘层油用量、粘层油分布、上下层结构材料类型、下层结构表面纹理、下层结构表面的清洁度及温度等在内的多种潜在因素对路面层间粘结的影响,给出了不同道路结构组合条件下最大化层间粘结力的最优层间接触条件。他首先通过自行研制的室内直接剪切及循环剪切试验仪评估了各种因素对道路层间界面剪切强度的影响,之后通过足尺寸的加速加载试验对室内试验得到的最优层间粘结条件进行了成功验证,并通过数值模拟对不同层间粘结状态下的路面在交通荷载作用下的力学响应进行了分析、比较。基于这一项目研究,冷真在Transportation Research Record及International Journal of Pavement Engineering等国际知名交通期刊发表SCI论文5篇。截至2018年12月,论文在Google Scholar累计被引用167次。其中他作为第一兼通信作者的论文Interface bonding between hot-mix asphalt and various Portland cement concrete surfaces: laboratory assessment的单篇应用次数已达到62次。该项目的主要研究成果之一,即最优粘层油类型及最佳粘层油用量,在2011年被纳入美国伊利诺伊州的沥青路面施工规范,并已经在美国伊利诺伊州得到全面推广应用,产生了显著的社会经济效益。该项研究成果获得了2013年美国各州公路及交通工作者协会最有影响16项研究奖(AASHTO Sweet 16 High Value Research)及美国伊利诺伊州交通中心高研究价值课题奖(ICT High Impact Project Award)。
  2012年回国后,结合香港城市道路的特点及社会可持续发展的需求,冷真将科研工作的重点转移到了绿色及生态友好路面材料与技术。他依托香港研资局基金项目,以及与香港环境保护署和路政署的合作研究项目,通过微观及化学分析,揭示了废弃轮胎胶粉、不同类型的温拌改性剂与沥青间的相互作用机理,评估并比较了温拌橡胶沥青与普通沥青的力学性能、轮胎—路面噪音、施工排放和气味,设计出基于废弃胶胎回收再用的低噪音、低施工排放、耐久性温拌橡胶改性沥青路面。研究成果得到了香港众多主流媒体正面报道。基于项目研究成果的试验路于2017年6月在香港完成修筑。现场监测数据表明:施工过程中排放和气味均远低于规范要求,噪音水平低于目前香港已测所有沥青路面,初期力学性能优良,受到社会广泛好评。
  除废弃轮胎胶粉外,冷真对废弃塑料这一主要城市固体废弃物在沥青路面中的再生利用也开展了有特色与成效的研究。与已有相关研究将废弃塑料切碎直接加入沥青混合料的研究思路不同,他首先通过特殊的氨化反应降解废弃塑料提取基于废弃塑料的沥青改性剂,从而解决了直接在高温沥青中添加塑料产生有害气体以及塑料与沥青兼容性差的问题,显著增强了沥青混合料的抗水损能力及抗疲劳、低温裂缝能力。在结合再生沥青混合料使用时,还能发挥再生剂的作用。基于该研究发表的论文在2017年香港工程师协会举办的环境论文大赛中获得第二名。
  目前,依托香港环境及自然保育基金项目,冷真正在开展将污泥灰转化为可用作温拌混合料添加剂、降低沥青路面施工温度的合成沸石的研究。通过室内优化设计与性能试验评估,已成功制备出各方面指标与商用沸石温拌剂非常接近的合成沸石,有望在近期内实现大规模的制备及试验路修筑,最终变废为宝,实现利用废弃物产品减少沥青路面施工过程中的能耗及排放的目标。
  

踵事增华未来明


  近20年来,我国交通基础设施的迅猛发展对促进国民经济腾飞发挥了至关重要的作用。与此同时,交通基础设施生命周期内对环境与社会产生的影响也日益受到了人们的关注。如何在大规模建设的同时,尽量减少对环境和社会的负面影响,甚至发挥正面作用,是我国交通基础设施当前发展面临的重大难题。使用环境及生态友好路面材料及技术来促进道路系统的绿色发展,对于整个交通基础设施系统的可持续发展意义重大。
  近年来,面向道路工程领域绿色建设与养护的关键难题,冷真着重开展了低噪音路面、温拌及冷拌沥青技术、基于废弃物资源再利用的路面材料、可降解汽车尾气路面等方面的科研攻关工作。
  车胎与路面相互作用产生的噪音污染会对道路周围居民的生活造成严重干扰,而传统的修建隔音墙的降噪方法具有高造价、影响视线和美观及占用额外空间等缺点。从噪音源头出发,通过优化路面材料与纹理是降低道路交通噪音经济有效的方法。为改善城市道路周围居民生活质量,冷真已积极与香港环保署合作开展多项低噪音路面相关研究。他从研究轮胎道路噪音产生机理出发,通过使用废弃轮胎胶粉增进路面弹性、使用多孔材料提高路面的吸音能力及使用优化的混凝土路面纹理等手段降低道路的噪音污染,重点研究了如何在降噪的同时保证路面的耐久性。他表示,在未来的工作计划中,低噪音路面仍是他的重点研究对象。
  另一方面,汽车尾气是城市大气污染的主要来源之一,通过给路表添加光催化材料涂层可以帮助降解汽车尾气,实现空气净化功能。尽管国内外已开展了一定研究,但如何保证光催化涂层在汽车荷载作用下的尾气降解效率及耐久性仍是未被解决的难题。冷真在该领域已开展了一定的前期工作,并提出了具有潜力的新型催化材料涂层方法。目前,他正在该领域进行深入的研究,以望实现光催化路面能够保持耐久的高汽车尾气降解效率,继而推进这一功能性环保路面在实践中的应用。
  “传统的路面材料主要以沥青和水泥为主,这些材料主要讲究的是耐久性和成本,而对于现在的路面新材料,除了注重它的交通承受力外,我们越来越强调它的功能性,特别是有关环境的功能。我现在主要做的就是推进一些绿色材料的研究与应用,在道路建设中,尽量减少原始材料的应用,将一些合适的废弃物进行循环利用。我们通过研究发现,将这些废弃物进行加工处理之后,应用到路面上,不但不会减少路面的使用寿命,甚至会改善路面的性能。科研工作者的任务和挑战是找到合理有效的物理或化学方法来处理废弃物,真正实现变废为宝。”冷真说。
  在基于废弃物资源再利用的路面材料研究领域冷真已经开展了持续研究,并取得了一定的研究成果。接下来,他将在废弃轮胎胶粉改性的耐久性沥青路面;沥青混合料的高比例(大于30%)厂拌热再生、沥青混合料的现场热再生以及冷再生;基于废弃塑料化学降解的沥青改性剂;基于污泥灰再生的新型温拌沥青添加剂等方面进一步深入拓展。其中的研究重点包括:合理选择适用于路面材料的废弃物,研发合适的废弃物物理及化学处理方法,揭示废弃物与路面材料混合使用时的相互作用机理,优化废弃物的使用比例及制定有效的质量评估、控制与验收方法。
  习近平总书记曾表示:“科学技术从来没有像今天这样深刻影响着国家前途命运,从来没有像今天这样深刻影响着人民生活福祉。”在“形势逼人、挑战逼人、使命逼人”的今天,冷真怀着强烈的创新信心和决心,既不妄自菲薄,也不妄自尊大,以从容的姿态不务空名地践行着自己的科研梦。
  

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2019年10月下

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