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如何讓混凝土材料整體實(shí)現(xiàn)“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(yīng)用于混凝土微結(jié)構(gòu)設(shè)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(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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(nèi)瓦國際發(fā)明展中斬獲最高獎項——評審團(tuán)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(jié)構(gòu)導(dǎo)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(jìn)入國家重大工程，重大工程結(jié)構(gòu)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(shè)計壽命需要100年以上，而在很多沿海地區(qū)和西部鹽湖極端環(huán)境地區(qū)，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(hù)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(jī)材料中的一種，同樣面臨著耐久性問題。此外，面對外界環(huán)境溫度的變化，多孔結(jié)構(gòu)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(xiàn)空鼓、剝落等現(xiàn)象。

那么，如何讓混凝土材料整體實(shí)現(xiàn)“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(lǐng)域創(chuàng)新觀念引領(lǐng)下，團(tuán)隊率先將“荷葉效應(yīng)”仿生設(shè)計理念推廣到混凝土細(xì)觀孔界面設(shè)計，將混凝土內(nèi)部小孔表面設(shè)計成類似荷葉的表面結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)“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(zhì)，效仿“荷葉效應(yīng)”，團(tuán)隊通過使用不同納米材料，調(diào)節(jié)混凝土表面的粗糙度，結(jié)合一些低表面能的疏水物質(zhì)，經(jīng)過近一年的不斷調(diào)試，最終成功實(shí)現(xiàn)了混凝土“透氣不透水”。

“防護(hù)涂層在遇到剮蹭時很容易脫落，而我們所研發(fā)的‘三維超疏水’水泥基多孔材料本身是無機(jī)物構(gòu)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(shí)現(xiàn)與建筑物同壽命。” 佘偉表示，為了進(jìn)一步降低這種新型混凝土的成本，團(tuán)隊提出了無機(jī)納米顆粒與疏水分子自組裝和納米雜化交聯(lián)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)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(nèi)。

記者了解到，目前團(tuán)隊研發(fā)的超疏水仿生防護(hù)體系已應(yīng)用于昌贛高鐵、兩河口水電站、太湖隧道等國家重點(diǎn)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(shí)現(xiàn)了三維超疏水，解決了泡沫混凝土早期穩(wěn)定性差、后期強(qiáng)度低和耐久性差的難題。

東南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院黨委書記楊樹東認(rèn)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(chuàng)新技術(shù)在國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展中發(fā)揮了重要作用。佘偉表示，下一步，研究團(tuán)隊還將繼續(xù)探索如何把“三維超疏水”水泥基多孔材料應(yīng)用于建筑節(jié)能，如開發(fā)其反射-輻射自降溫等光學(xué)性能，實(shí)現(xiàn)節(jié)能功能一體化；或者應(yīng)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(shí)現(xiàn)保溫隔熱等。

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