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如何讓混凝土材料整體實現“透氣不透水” 提高耐用性？

2021-04-22 09:23:10 來源：科技日報

將荷葉“不沾水”的奧秘應用于混凝土微結構設計，這樣奇妙的“跨界”解決了混凝土易吸水、耐久性差等難題。近日，東南大學材料科學與工程學院佘偉教授課題組項目“‘三維超疏水’水泥基多孔材料”從1000多個參賽項目中脫穎而出，在2021年日內瓦國際發明展中斬獲最高獎項——評審團特別嘉許金獎。

混凝土是一種多孔材料，孔隙很小，大多是納微米級別，因此水泥基材料和多孔結構導致其很容易吸水，從而影響其耐久性。“一旦海水中的氯離子和硫酸根等有害離子進入國家重大工程，重大工程結構的壽命就會縮短。” 佘偉告訴《科技周刊》記者，一般來說，目前國家重大工程項目的設計壽命需要100年以上，而在很多沿海地區和西部鹽湖極端環境地區，壽命則只有二三十年。佘偉介紹，之前比較常用的對策是在混凝土表面涂上防護涂層。盡管這種“簡單粗暴”的方式可以在一定程度上起到防水作用，但由于這種涂層是有機材料中的一種，同樣面臨著耐久性問題。此外，面對外界環境溫度的變化，多孔結構的混凝土材料需要保持“透氣”，如果將混凝土“封閉”在涂層材料中，則很快就會出現空鼓、剝落等現象。

那么，如何讓混凝土材料整體實現“透氣不透水”，從而提高其耐用性？在繆昌文院士混凝土材料領域創新觀念引領下，團隊率先將“荷葉效應”仿生設計理念推廣到混凝土細觀孔界面設計，將混凝土內部小孔表面設計成類似荷葉的表面結構，從而實現“無死角”疏水。佘偉解釋，荷葉不沾水的秘密在于其微納米尺度的粗糙度和其表面的低表能疏水物質，效仿“荷葉效應”，團隊通過使用不同納米材料，調節混凝土表面的粗糙度，結合一些低表面能的疏水物質，經過近一年的不斷調試，最終成功實現了混凝土“透氣不透水”。

“防護涂層在遇到剮蹭時很容易脫落，而我們所研發的‘三維超疏水’水泥基多孔材料本身是無機物構成，不存在自身耐久性問題，耐久性提升至原本的2倍以上，可以實現與建筑物同壽命。” 佘偉表示，為了進一步降低這種新型混凝土的成本，團隊提出了無機納米顆粒與疏水分子自組裝和納米雜化交聯技術，實現了納米顆粒在氣孔表面的有效吸附和單層排列，將總體成本降低至可控范圍內。

記者了解到，目前團隊研發的超疏水仿生防護體系已應用于昌贛高鐵、兩河口水電站、太湖隧道等國家重點工程；民用方面，采用“三維超疏水”水泥基多孔材料制作的泡沫混凝土首次實現了三維超疏水，解決了泡沫混凝土早期穩定性差、后期強度低和耐久性差的難題。

東南大學材料科學與工程學院黨委書記楊樹東認為，此項目之所以能夠在獲獎率僅3%的特別金獎中占有一席之地，原因在于其創新技術在國民經濟建設發展中發揮了重要作用。佘偉表示，下一步，研究團隊還將繼續探索如何把“三維超疏水”水泥基多孔材料應用于建筑節能，如開發其反射-輻射自降溫等光學性能，實現節能功能一體化；或者應用于民用外墻，從而既保證較好的耐火性和耐用性，也可以實現保溫隔熱等。

標簽：混凝土透氣不透水耐用性