力？能量？
发表时间：2008-09-26 10:00:26昨天中午，在上班的路上偶然遇到覃维祖老师，聊了一些关于土木工程教学、研究和实践中的一个问题。覃老师的观点高瞻远瞩，令人深思。不敢专美，特记录于此，希望于人于己都有点用处。
要设计一个建筑物或者是构筑物，按照我们所受的教育，是通过力学分析来进行结构设计。说得简单点，就是考虑外部和内部的荷载（包括动荷载和静荷载）的共同作用，设计出来的结构需要能够抵抗这么大的荷载 －－ 也就是说，能够承受这么大的力。
结构越来越大型化，对承载力的要求也越来越高。在具体的工程实践中，体现在对混凝土（以及其他工程材料）强度的要求上。譬如说现在用于大坝的混凝土，其强度要求就比过去高很多。水泥在水化过程中要发出大量的热量，由于大坝的体积比较大，这些热量不能够及时地散出去，从而导致大坝内部的温度升高。我们知道，一般材料都是热胀冷缩，变形受约束时就产生内应力（混凝土升温时尚未凝固或刚凝固，模量尚不大，但降温时模量已很大，收缩受到约束就产生很大拉应力）。而混凝土的强度是一个逐渐增长的过程。当温度导致的内应力超过混凝土的强度时，混凝土就会开裂。众所周知，对混凝土的强度要求越高，则水灰比越低，发热的问题就越严重。目前在制备大坝混凝土的时候，都需要将水泥和骨料预先冷却到7 摄氏度左右，仍然不能够有效地解决由于温度导致的混凝土开裂问题。
温度应力不是导致混凝土开裂的唯一原因。混凝土硬化过程和硬化后，还要发生其他体积变化，例如在水泥的水化过程中，通常会出现体积变化的情况；尤其显著的还有干燥收缩，受到约束也形成拉应力，与温度应力叠加起来就非常可观，而混凝土的抗拉强度（或者确切地说是断裂能）又很小。这些内应力都会对大体积混凝土的安全性和耐久性造成严重的挑战。我们知道，混凝土是一种不均匀、非线形的各向异性材料。混凝土中最薄弱的地方，既不是骨料也不是水化之后的浆体，而是浆体和骨料之间的过渡区。在水泥浆体膨胀或者收缩过程中，首先受到破坏的，就是这个过渡区域。举个例子说，我们现在花很大气力去研究水泥浆体中的缝隙，其直径都是微米级的。对于大体积混凝土来说，过渡区那里的裂缝，基本上都是毫米级的（至少也是零点几个毫米）。研究浆体中的小缝隙，却不去研究过渡区的大裂缝，根本就是舍本求末。
从八十年代后期起，为了发展交通开始建设高速公路。由于国内缺乏合格的沥青资源，许多省市地区建设混凝土路面的高速公路。这些高速公路的设计寿命都是三十年到五十年，但是实际使用寿命不超过十五年。有一些地区的高速公路，甚至还没有通车就已经开始严重开裂，无法正常投入运营。这些路面混凝土的强度要求都很高，因此在其不断强化的过程中产生了很大的内应力，在与外力的共同作用下导致了混凝土的开裂与失效。而我们统统将其原因归结于官商勾结，偷工减料，又何曾想过我们的设计思想出了问题。九十年代初开始大力发展，而短短几年后到九十年代末，我国主要的高速公路又转向铺筑沥青路面，原因就是新修的水泥混凝土路很快就破损。仅在省市一级的公路建设中还在大量使用混凝土路面。目前正在大力倡导的村村通工程，也是在大量使用混凝土路面。
在结构设计中，到底是力重要还是能量更重要。如果是力，那么结构就必须能够抵抗该结构的荷载。如果是能量，就意味着结构可以给荷载让路，因为一个能量较低的系统才是一个更稳定的系统。换句话说，是顶还是让，是堵还是疏， 是两种不同的策略甚至是哲学问题。
覃维祖老师推荐了两本书，都是Fritjof Capra写的。一本是 The Turning Point: Science, Society, and the Rising Culture, 另外一本是The Tao of Physics: An Exploration of the Parallels between Modern Physics and Eastern Mysticism 。用东方哲学的观点来重新审视物理学和工程学中的概念，虽然非主流，却是一个很有意思的论题。有空的时候，应该拿来看看。
再次感谢覃老师的指教。
2008.09.26，初稿
2008.09.27，经覃老师修改
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云与清风常拥有，
冰雪知音世难求。
击节纵歌相对笑，
案上诗书杯中酒。
2000.12.31 于 洛杉矶
记得在课堂上老师讲过混凝土开裂其中的原因是水灰比控制不好，水泥反应有用不完的水，水份蒸发后砼中有微小的空隙，致使砼的强度变低所致
我有幸也跟覃老师讨论过类似问题，我的观点甚至有些极端，根本就不存在所谓的“力”，“力”不过是能量在运算过程中的一个算符。因此，我更推崇热力学3大定律。 看了学长的这篇日记，很喜欢，想起了覃老师的话。