给混凝土“穿防水服”！青岛理工大学攻克海工混凝土腐蚀抑制难题
混凝土 腾讯网 2023-04-04
斑驳的桥墩、出现裂纹的防波堤……海水对混凝土的腐蚀肉眼可见。受“荷叶不沾水”启发，青岛理工大学土木工程学院李绍纯教授团队联合企业研发了一种仿生超疏水涂层，给混凝土穿上一层“防水服”。这种“防水服”不但可以解决陆上地下室渗水问题，还攻克了海工混凝土的离子渗透-微生物耦合腐蚀抑制难题，能够显著提升海工混凝土结构的耐久性能，相关技术产品在青岛地铁1号线、中德生态园、青岛国际院士港、新兴重工集团（区域）总部一期工程中得到应用。
破解“传统涂层易脱落”难题
在很多人看来，混凝土是一种十分致密的材料，但实际上，混凝土存在大量孔洞，海水中的氯离子和微生物通过孔洞与混凝土及其内部的钢筋大面积接触，进而造成腐蚀。为了解决这个问题，有些研究团队从混凝土本身入手，使其变得更加密实；有些团队则是从表面防护入手，给混凝土加一层特殊涂层。李绍纯教授团队的研发思路就属于后者。
在研究中，李绍纯教授团队发现，涂层的种类有很多，但大多存在一个问题，那就是容易脱落，而重新涂刷的成本又很高。怎样解决这个问题呢？李绍纯教授团队首先从海洋微生物在混凝土表面的附着规律和机理出发，通过研究生物膜的形成、生长过程，建立海洋微生物对混凝土的腐蚀动力学模型。然后在此基础上，基于仿生学理论构建超疏水涂层，探索超疏水涂层对海洋微生物腐蚀动力学的影响机制，并通过实海暴露实验，建立超疏水涂层微结构与防生物腐蚀作用的定量关系，明确时空变化对超疏水涂层长期防护效果的影响规律，为保障海工混凝土结构安全及长寿命运行提供理论依据与技术支撑。
纳米级“小树”在混凝土上“扎根”
这里的仿生指的是“仿荷叶结构”。简而言之，荷叶表面有无数比水分子还要小的“凸起”，能够把水滴“撑住”，形成超疏水效应。在现实生活中，有很多防水产品就是依据这种原理研制的。但是李绍纯告诉记者，仿荷叶的结构在金属、玻璃等致密、平整、光滑的物体表面容易构建，但混凝土表面是粗糙、开放的，有很多孔洞，用常规方法难以构建仿荷叶的结构。
为了攻克这个难题，李绍纯教授团队在材料组成方面寻找突破点，用一种有机材料和混凝土发生反应，使其渗透到混凝土表层，形成紧密贴合的效果，然后在此基础上，用无机纳米材料做成荷叶表面的“凸起”。李绍纯形容说，在微观尺度上，混凝土表层就像绵延起伏的小山，而有机材料就如同土壤，无机纳米材料就像根植于土壤上的一棵棵小树。他们把土壤和树“打包”刷在山上，只要刷一次，就能对山形成长久的防水保护，海水进不来，水中的氯离子、微生物等也就无法对混凝土造成腐蚀。“我们的仿生超疏水涂层可以做到与混凝土寿命一样长。”李绍纯介绍。
据了解，凭借“仿生超疏水涂层在混凝土表层的构建及对海洋生物腐蚀的抑制作用机理与效果研究”，李绍纯教授团队在2020年申请到了国家自然科学基金项目的支持。团队研发的技术和产品在青岛地铁1号线、中德生态园、青岛国际院士港、新兴重工集团（区域）总部一期工程中得到应用。
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