挑战特殊化——长安大学副教授王旭昊的非寻常科研之路

范佳乐

入职美国国家混凝土路面科研中心肖像照

1999年，号称“20世纪中国第一”的江阴长江大桥竣工通车。次年，桥面出现了明显损坏，引发一片哗然。调查结果显示，在引用国外技术时，气候差异不慎被忽略。“中国夏季最高气温明显高于英国”，高温病害——作为桥梁路面杀手之一被揪了出来。

不仅是高温，在旱区、寒区、盐蚀区等这些特殊地带，混凝土打造的路面和桥梁都十分“娇贵”。也由于这些原因，桥梁、道路在建造之初就有了因地制宜的规则，道路材料、施工和结构的设计缺一不可。长安大学副教授王旭昊正是进行这项定制服务的人，研究新材料配合比也好，琢磨混凝土的破坏机制也好，挑战、解决特殊地区与环境下的交通基础设施难题，他一头扎进去就是10多年。

机会面前，不犹豫

2005年，因高考成绩没有达到自己的期望，王旭昊还有些迷茫。他机缘巧合进入兰州交通大学土木工程专业，对要学什么、做什么，一无所知。那时候，土木工程专业在外界看来就是“造房子”，毕业生也大多会入行工程管理，被戏称为“包工头”。

就业，王旭昊当时并没考虑那么长远。他正忙着各项考试，“学校恰好和美国爱荷华州立大学有一个2+2的合作项目。我英语还不错，想着既然有机会就走出去看看。”没承想，这一走就是11个年头。

在爱荷华州立大学，王旭昊对土木工程材料产生了浓厚的兴趣，并将其确定为日后的研究方向。他一口气攻读了硕士、博士学位，想要在这个方向上挖出更多对社会发展有价值的内容。

简单来说，王旭昊的研究对象主要是在交通基础设施中使用的水泥混凝土，尤其是它们在高温、高寒等特殊地区的表现。“那会儿，最集中的研究就是水泥混凝土的滑模摊铺。”这是一种直接影响路面质量的技术方法，普遍应用于高等公路的修建当中。早在20世纪四五十年代，美国大兴公路系统建设的时候，滑模摊铺水泥混凝土就显示出举足轻重的地位。时至今日，美国的路面材料只要用水泥混凝土，基本上都采取了滑模摊铺的方式。整个施工过程的用料配合比、设计，包括一些新型材料的应用等，依旧有很多东西值得探索。

让道路变得更长寿是持续探索的目的之一。“站在领域的角度，我觉得我国在基础建设这一块非常突出，可能随便建一座小桥，放在国外都是大桥。”这也就意味着，被誉为“基建狂魔”的中国拥有成熟的技术方法、体系。但是，王旭昊在肯定体量的同时，也指出近几十年国内道路交通快速发展存在的问题。他表示，耐久性是道路交通绕不开的话题。“用新技术、新材料铺设一座桥固然很好，但怎么保证它70年不坏，这是一件很难的事情。在美国，很多材料、方法、测试手段，还有一些养护修补研究都是为了能够延长道路的使用寿命。”让王旭昊感到遗憾的是，提升路面、桥面的耐久性研究极其耗时且文章产出慢，有耐心坚持下来的同行者并不多。不过显然，无论有多少人有这份“耐久性”，这项研究已经成为摆在道路交通工作者面前的一道坎，总要跨过去。

2014年，王旭昊的博士论文《桥梁现浇自密实混凝土的配合比优化及性能提升测试方法研究》顺利答辩。紧接着，他在导师Kejin Wang、Peter Taylor的引导下，正式入职美国国家路面混凝土科研中心，开展博士后工作。“两位老师在业界都非常有名气，王教授主要侧重的是学术的研究，P e te r则主攻工业界。”导师一个偏理论、一个偏应用，这也让王旭昊能够学习到更多综合性的知识，积累到扎实的经验。同时，美国国家路面混凝土科研中心对他来说也不算陌生，早先他在那里兼职实验室主任，已然充分了解搞研究的脉络，毕业后自然更要大展拳脚。

基于硕士、博士阶段的理论研究，王旭昊为满足美国北部的寒冷地区道路交通设施需求，投入了大量的精力关注特殊水泥混凝土。他从宏观、细观到微观，针对自密实水泥混凝土以及半自密实水泥混凝土进行了材料测试，考虑着如何解决工业界面临的问题。他说，那几年的研究大多依托项目，跑遍了超过20个州的施工现场，是潜下心来琢磨，实实在在做出了有效益的成果的。其中有一项涉及水泥混凝土的配合比优化和创新，他需要思考的问题很多，譬如怎样帮助工业界降低水泥混凝土的单位使用成本，添加新材料的同时，能不能保证耐久性或者延长寿命……一个大问题往往还要拆分成很多小问题，王旭昊再将这些小疑难点逐个击破，事无巨细，包括一些设计方法、模型的建立等。

在科研中心的4年里，王旭昊参与到众多项目工作当中，完成了从助理科学家到助理教授的转变，履历上的光鲜成绩也是一笔接着一笔：2014年，他研究了自密实混凝土在桥梁现场浇筑中的性能测试、质量控制方法等；2015年，应俄亥俄州交通部要求，他主持了“基于轻质骨料内养护用于减少混凝土桥面开裂的研究”，引用轻质骨料减少了混凝土桥面塑性开裂；2016年，在美国能源部项目“改性水泥及其工业影响”中，面对水泥混凝土的质量参差不一，他分析用料配合比，给出了如何最大化减少水泥用量，同时达到高性能的解决方案……就这样，随着项目经验的增加，王旭昊在专业领域内越挖越深。2012—2017年，他以第一作者或通讯作者陆续发表SCI、EI文章15篇，为行业增加了有迹可循的研究科学依据。

在美国爱荷华州立大学博士毕业典礼，与博士导师Peter Taylor和Kejin Wang教授合影。

缘起一场会议

2016年12月，陕西省第一届丝绸之路青年学者论坛举行，吸引了来自世界各地的学者青年。其中，就包括王旭昊。但当时的他并不知道，这一次参会经历将成为他人生的重要转折点。

“在会场交流的时候我碰到一位青海大学的老师。他一听我的研究内容，就说‘你这研究太适合青海了’。”青海省地处我国西部，雄踞世界屋脊青藏高原的东北部。全省地形、气候差异显著，干旱、雪灾、冰雹、霜冻较为常见，对道路交通建设来说，这些特殊的气象灾害都是不小的挑战。同样对王旭昊的研究来说，那里的特殊恰好是“完美”的试炼场。于是，两者一拍即合，王旭昊在2017年经引荐成为清华大学-青海大学三江源研究院特聘三江学者，与国内的科研合作关系日益密切。第二年，在国家自然科学基金地区项目和青海省科技厅自然基金应用基础研究项目的支撑下，他就迅速投入到“青藏盐蚀区混凝土结构长期服役性能的宏细观破坏机理研究”。

在为期两年的项目部署中，王旭昊安排得十分清楚。他充分依托青海大学高原建筑材料实验室，收集国内外相关资料，整合优势资源全力攻坚多道难题。“一个是目前混凝土材料冻融破坏特性的影响因素还不够系统化，另一个是施工现场和实验室有差距，抗冻混凝土现场制备的程度和实验室配合比没办法一一对应……”在这些问题的困扰下，王旭昊打破惯有的思维定式，通过创新测试方法、模型模拟等完成了对机理分析的一系列研究。

也正是在该项目的研究过程中，王旭昊深感国内、国外两地“开花”的压力。他觉得是时候开始思考自己动身回国的时间了，为在国内的长远发展做准备。“出去的时候就决定了，有朝一日要回来。”至于选择长安大学，王旭昊坦言也经过了一番深思熟虑。“一方面，从行业发展的角度来讲，长安大学的交通运输工程作为国家一级学科能够提供极有潜力的平台；另一方面，考虑到亲人的缘故，西安距离家乡兰州比较近。”

借着人才引进的东风，王旭昊于2018年8月正式成为长安大学公路学院副教授、博士生导师，将整个研究重心全面转向国内。那段时间，他虽然忙着回国、搬家各种事情，但手头上的科研工作一点儿也没落下。当时，除了针对青藏盐蚀区的项目在进行外，他还和孙新建教授合作推动着“纳米CaCO3玄武岩纤维增强混凝土断裂性能多尺度研究”。他们采用多尺度非线性复合材料建模平台进行了骨料、玄武岩纤维、胶浆、界面多相三维建模，模拟多尺度增强混凝土的断裂性能，为多尺度增强混凝土抗裂性能提供了理论支撑。

整体来说，这项工作是王旭昊前期水泥混凝土配合比设计研究的一个延续，是他回国以来研究内容的三分之一。“三辆马车”并驾齐驱，这是王旭昊正在实行的研究模式。除了国外的研究基础，他如今又给自己增加了些新能量——绿色新型材料的机理和应用、工程性能混凝土的概念推广。

在王旭昊的讲解下不难明白，绿色新型材料的机理和应用是环保、可持续发展下的必然需要，又可以仔细划分为新材料、可持续利用材料、人造材料三部分独立研究。“站在国内公路发展的角度来说，有很多废弃的材料无法有效二次利用的，怎样能把这些废弃物利用好，我觉得这是一个很重要的事情。”在王旭昊看来，搞清楚性能影响机理是有效回收旧材料、融合绿色新材料的第一步，“因为水泥混凝土本身作为一个混合物，不是说新加一种材料就表现一种新性能。”材料的融合影响着整体性能，像王旭昊这样的研究人员，要考虑的正是如何能最大化利用新材料，全面降低成本，提高路面承载力、耐久性等。

那么，工程性能混凝土的概念推广又代表什么呢？“这个就是强调不同结构的道路、桥梁对混凝土的要求不同。要按实际需求量身定做质量检控方法，优化混凝土的工程性能。”王旭昊解释，这部分研究由高性能混凝土的可持续发展及快速修复和养护、人工智能等高新技术与混凝土性能需求结合、新型传感器在混凝土结构健康检测中的应用三部分组成。2019年，由他主持的项目“机制砂混凝土质量检控与材料性能试验研究”能很好地阐释这一概念。

课题组进行小型水泥混凝土路面滑模摊铺模拟实验

机制砂取代日益枯竭的河沙是国家十部委联合倡导生产高品质砂石、推动砂石智能制造的明确要求。但一直以来无论是对天然砂还是人工砂的检测方法都相对落后，普遍存在效率低、品质拣选误差等缺点。因此，如何研发一套操作简单、节省人工的高效操作自动化系统，成为王旭昊团队思考的问题。“如果能够同时对砂的含水率、含粉量、级配、细度模数以及粒形系数进行实时在线检测，那就可以极大提高检测效率。再辅以集成数据库软件，自动对检测数据进行存储归类，对粒形系数进行量化，又能够进一步从数据上了解砂的粒形好坏。”在现代科技面前，砂石检测不再是耗时耗工的力气活。

王旭昊说，当前制约机制砂混凝土推广应用发展的主要因素有机制砂质量、政策和专业人才短缺造成的技术缺乏等因素，他们的研究正是为了解决这些问题，推广和提高机制砂混凝土的配制和生产应用技术。这样一来，既能够解决天然砂资源的枯竭问题，又可以降低成本和开采风险，给社会带来更多的经济、环保效益。“在河沙难求及建设工程大力推进的大背景下，机制砂的应用必将越来越广，应用技术必会稳步提高，性能达到或者赶超河砂混凝土。”这是行业和社会技术的进步，也为其他行业提质增效提供了台阶。

做事，自有一套准则

自项目研究到行业创新，王旭昊谈及很多。他不是一个冒进的人，对于整个领域的发展有着清醒的认识。

“从技术的角度而言，国外在20世纪五六十年代就把道路、桥梁建设得差不多了，整体还是领先国内的。尤其是筑路的机械，我们还是以进口为主。而好的设备才能用更好的材料去匹配。”行业整体的进步，是王旭昊迫切希望看到的。但同时他也一针见血地指出，快节奏科研极容易陷入急功近利的旋涡。在他看来，国内的水泥混凝土或者说硅酸盐材料领域，研究规模有限，所以很多事情需要一步步沉下心来做，“假如要一口吃成个胖子，这个跨度实在太大”。

王旭昊认为，研究步子不能迈太大，创新也同理。面对五花八门的新技术、新材料，他相比其他急着尝鲜的科研工作者，总是分外冷静，最先考虑的是成本问题。“包括人工智能、纳米材料这些，绝对是好东西。但好东西怎么用是一个很长的过程。”王旭昊指出，很多新兴技术和材料结合都只停留在一个概念上，哪怕有成品，成本造价、耐久性、应用价值也很少被考虑。“像是碳纤维、纳米材料，加进混凝土绝对能提高性能，但性价比太低了。大范围用起来，光成本就负担不起。”所以，创新更应该成为一种在基础上的创新，才有价值、有意义。

如今回国两年，王旭昊坦言整体节奏基本适应，一些对于学生的教育方法还在不断摸索。他有一套自己的招生、教育准则，既要做导师，又要做朋友。“从培养方式来讲，我希望除了教会他们怎么做研究，还能在做人做事上给他们积极的影响。”比如，在经济上扶持、组内的团结合作，这些是王旭昊要求自己去倡导的。

“我不会要求学生朝九晚五地坐班，毕竟每个人的有效时间段是不同的。对我来说，晚上八点到十二点钟是我效率最高的时候，那我就这个时间工作，早晨哪怕多睡一会儿也无所谓。”另外和多数老师一样，王旭昊也十分注重带着目的的培养。未来去企业还是做科研，这是成为他的博士生必须回答的问题。“有的学生研一刚过，说‘老师我要读博’，为什么读博也不知道。这种情况坚决不能允许，人总要有一个长远的规划和认识。”

作为严师，王旭昊要求在他手底下毕业的学生，必须达到他当初学业水平的60%才能毕业。“我不想他3年硕士或者博士，读完就完了，总要对自身有要求。我当初也没有多强，如果连60%都达不到，实在说过不去。”作为兄长、朋友，王旭昊不想成为强制式的指挥棒，更愿意给学生创造好条件，让他们能够按照自己的想法去真正做出些东西。“这个学习、探索的过程非常重要，包含了我们对未来的规划。毕业不是说最终发一篇文章就可以了，如果整个学习阶段没有对于人生、生活的收获，我会认为这是我作为老师的失败。”而不管是对自己还是对学生，王旭昊从没打算成为失败者。