延长国家重大工程结构服役使用寿命！东大这项特别金奖项目让混凝土“透气不透水”

交汇点讯 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、耐久性差等难题。近日，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。据悉，日内瓦国际发明展创办于1973年，由世界知识产权组织、瑞士联邦政府等共同举办，是世界上规模最大、知名度最高的发明展览会之一，也是高新技术“产学研”转化的重要国际化平台。

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，从而影响其耐久性。“混凝土吸水是一件很棘手的事情，这不单单意味着居民家中会出现漏水、渗水，而当混凝土应用于国家重大工程，一旦海水中的氯离子和硫酸根等有害离子进入，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，为了解决这一难题，之前比较常用的方法是，如同下雨天人穿雨衣一样，设计者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，同样面临着耐久性问题。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、剥落甚至失效现象。

那么，如何让混凝土材料整体实现“透气不透水”，从而提高其耐用性？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。大自然中的荷叶不沾水的奥秘在于，一方面在于其表面有一层疏水的蜡质，另一方面在于荷叶的微米和纳米双尺度微观结构。“荷叶微纳米尺度的粗糙度和其表面的低表能疏水物质最终让荷叶实现‘不沾水’。” 佘伟解释，效仿“荷叶效应”，团队在设计混凝土表面时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，经过近一年的不断调试，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就会脱落，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，不存在自身耐久性问题，哪怕出现一些剐蹭也不会影响其疏水性，耐久性提升至原本的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。“尽管部分纳米材料相较于常规，成本要高一些，但由于巧妙地结构设计，两种材质相互协同，总体成本依然在可控范围内。”

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，原本南方路基所使用的泡沫混凝土孔隙率大，吸水速度快，吸水率大，易产生强度降低和耐久性劣化等现象。而采用“三维超疏水”水泥基多孔材料制作的泡沫混凝土则首次实现了三维超疏水，解决了泡沫混凝土早期稳定性差、后期强度低和耐久性差的难题。

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%的日内瓦国际发明展特别金奖中占有一席之地，原因在于其创新技术可以延长国家重大项目服役使用寿命，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，例如开发其反射-辐射自降温等光学性能，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性和耐用性，也可以实现保温隔热等。

新华日报·交汇点记者 谢诗涵

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编辑: 蒋明睿