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。

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”。

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。

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。

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。

来源：网络