• 如何让混凝土材料整体实现“透气不透水” 提高耐用性?

    来源:科技日报

    将荷叶“不沾水”的奥秘应用于混凝土微结构设计,这样奇妙的“跨界”解决了混凝土易吸水、耐久差等难题。日,东南大学材料科学与工程学院佘伟教授课题组项目“‘三维超疏水’水泥基多孔材料”从1000多个参赛项目中脱颖而出,在2021年日内瓦国际发明展中斩获最高奖项——评审团特别嘉许金奖。

    混凝土是一种多孔材料,孔隙很小,大多是纳微米级别,因此水泥基材料和多孔结构导致其很容易吸水,从而影响其耐久。“一旦海水中的氯离子和硫酸根等有害离子进入国家重大工程,重大工程结构的寿命就会缩短。” 佘伟告诉《科技周刊》记者,一般来说,目前国家重大工程项目的设计寿命需要100年以上,而在很多沿海地区和西部盐湖极端环境地区,寿命则只有二三十年。佘伟介绍,之前比较常用的对策是在混凝土表面涂上防护涂层。尽管这种“简单粗暴”的方式可以在一定程度上起到防水作用,但由于这种涂层是有机材料中的一种,同样面临着耐久问题。此外,面对外界环境温度的变化,多孔结构的混凝土材料需要保持“透气”,如果将混凝土“封闭”在涂层材料中,则很快就会出现空鼓、剥落等现象。

    那么,如何让混凝土材料整体实现“透气不透水”,从而提高其耐用?在缪昌文院士混凝土材料领域创新观念引领下,团队率先将“荷叶效应”仿生设计理念推广到混凝土细观孔界面设计,将混凝土内部小孔表面设计成类似荷叶的表面结构,从而实现“无死角”疏水。佘伟解释,荷叶不沾水的秘密在于其微纳米尺度的粗糙度和其表面的低表能疏水物质,效仿“荷叶效应”,团队通过使用不同纳米材料,调节混凝土表面的粗糙度,结合一些低表面能的疏水物质,经过一年的不断调试,最终成功实现了混凝土“透气不透水”。

    “防护涂层在遇到剐蹭时很容易脱落,而我们所研发的‘三维超疏水’水泥基多孔材料本身是无机物构成,不存在自身耐久问题,耐久提升至原本的2倍以上,可以实现与建筑物同寿命。” 佘伟表示,为了进一步降低这种新型混凝土的成本,团队提出了无机纳米颗粒与疏水分子自组装和纳米杂化交联技术,实现了纳米颗粒在气孔表面的有效吸附和单层排列,将总体成本降低至可控范围内。

    记者了解到,目前团队研发的超疏水仿生防护体系已应用于昌赣高铁、两河口水电站、太湖隧道等国家重点工程;民用方面,采用“三维超疏水”水泥基多孔材料制作的泡沫混凝土首次实现了三维超疏水,解决了泡沫混凝土早期稳定差、后期强度低和耐久差的难题。

    东南大学材料科学与工程学院党委书记杨树东认为,此项目之所以能够在获奖率仅3%的特别金奖中占有一席之地,原因在于其创新技术在国民经济建设发展中发挥了重要作用。佘伟表示,下一步,研究团队还将继续探索如何把“三维超疏水”水泥基多孔材料应用于建筑节能,如开发其反射-辐射自降温等光学能,实现节能功能一体化;或者应用于民用外墙,从而既保证较好的耐火和耐用,也可以实现保温隔热等。

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