給混凝土“穿防水服”！青島理工大學(xué)攻克海工混凝土腐蝕抑制難題

斑駁的橋墩、出現(xiàn)裂紋的防波堤……海水對混凝土的腐蝕肉眼可見。受“荷葉不沾水”啟發(fā)，青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院李紹純教授團(tuán)隊(duì)聯(lián)合企業(yè)研發(fā)了一種仿生超疏水涂層，給混凝土穿上一層“防水服”。這種“防水服”不但可以解決陸上地下室滲水問題，還攻克了海工混凝土的離子滲透-微生物耦合腐蝕抑制難題，能夠顯著提升海工混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性能，相關(guān)技術(shù)產(chǎn)品在青島地鐵1號線、中德生態(tài)園、青島國際院士港、新興重工集團(tuán)（區(qū)域）總部一期工程中得到應(yīng)用。

破解“傳統(tǒng)涂層易脫落”難題

在很多人看來，混凝土是一種十分致密的材料，但實(shí)際上，混凝土存在大量孔洞，海水中的氯離子和微生物通過孔洞與混凝土及其內(nèi)部的鋼筋大面積接觸，進(jìn)而造成腐蝕。為了解決這個問題，有些研究團(tuán)隊(duì)從混凝土本身入手，使其變得更加密實(shí)；有些團(tuán)隊(duì)則是從表面防護(hù)入手，給混凝土加一層特殊涂層。李紹純教授團(tuán)隊(duì)的研發(fā)思路就屬于后者。

在研究中，李紹純教授團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，涂層的種類有很多，但大多存在一個問題，那就是容易脫落，而重新涂刷的成本又很高。怎樣解決這個問題呢？李紹純教授團(tuán)隊(duì)首先從海洋微生物在混凝土表面的附著規(guī)律和機(jī)理出發(fā)，通過研究生物膜的形成、生長過程，建立海洋微生物對混凝土的腐蝕動力學(xué)模型。然后在此基礎(chǔ)上，基于仿生學(xué)理論構(gòu)建超疏水涂層，探索超疏水涂層對海洋微生物腐蝕動力學(xué)的影響機(jī)制，并通過實(shí)海暴露實(shí)驗(yàn)，建立超疏水涂層微結(jié)構(gòu)與防生物腐蝕作用的定量關(guān)系，明確時空變化對超疏水涂層長期防護(hù)效果的影響規(guī)律，為保障海工混凝土結(jié)構(gòu)安全及長壽命運(yùn)行提供理論依據(jù)與技術(shù)支撐。

納米級“小樹”在混凝土上“扎根”

這里的仿生指的是“仿荷葉結(jié)構(gòu)”。簡而言之，荷葉表面有無數(shù)比水分子還要小的“凸起”，能夠把水滴“撐住”，形成超疏水效應(yīng)。在現(xiàn)實(shí)生活中，有很多防水產(chǎn)品就是依據(jù)這種原理研制的。但是李紹純告訴記者，仿荷葉的結(jié)構(gòu)在金屬、玻璃等致密、平整、光滑的物體表面容易構(gòu)建，但混凝土表面是粗糙、開放的，有很多孔洞，用常規(guī)方法難以構(gòu)建仿荷葉的結(jié)構(gòu)。

為了攻克這個難題，李紹純教授團(tuán)隊(duì)在材料組成方面尋找突破點(diǎn)，用一種有機(jī)材料和混凝土發(fā)生反應(yīng)，使其滲透到混凝土表層，形成緊密貼合的效果，然后在此基礎(chǔ)上，用無機(jī)納米材料做成荷葉表面的“凸起”。李紹純形容說，在微觀尺度上，混凝土表層就像綿延起伏的小山，而有機(jī)材料就如同土壤，無機(jī)納米材料就像根植于土壤上的一棵棵小樹。他們把土壤和樹“打包”刷在山上，只要刷一次，就能對山形成長久的防水保護(hù)，海水進(jìn)不來，水中的氯離子、微生物等也就無法對混凝土造成腐蝕?！拔覀兊姆律杷繉涌梢宰龅脚c混凝土壽命一樣長?！崩罱B純介紹。

據(jù)了解，憑借“仿生超疏水涂層在混凝土表層的構(gòu)建及對海洋生物腐蝕的抑制作用機(jī)理與效果研究”，李紹純教授團(tuán)隊(duì)在2020年申請到了國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目的支持。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的技術(shù)和產(chǎn)品在青島地鐵1號線、中德生態(tài)園、青島國際院士港、新興重工集團(tuán)（區(qū)域）總部一期工程中得到應(yīng)用。