華盛頓州立大學（Washington State University）的研究人員通過納米材料工程開發出的滲透密封劑，能夠更好地保護混凝土免于受潮和鹽腐蝕。而潮濕和鹽分是導緻北部各州混凝土基礎設施崩壞的首要威脅因素。
将實驗室研究結果與市面上的密封劑對比後發現，這種新型密封劑在防水防潮效果方面改善了75%，而在降低鹽腐蝕方面則改進了44%。這項工作能為美國解決橋梁和人行道老化問題提供新方法。
上司這項工作的土木與環境工程系教授石先明說：“我們重點關注防潮性能，這是影響混凝土完整性和耐久性的主要因素之一。如果能保持混凝土幹燥，絕大多數耐久性問題就會迎刃而解。”
石教授和他的研究所學生最近在《土木工程材料雜志》上發表了他們的工作，并申請了臨時專利。
論文截圖
美國的許多關鍵基礎設施，例如美國的高速公路系統，建于20世紀50年代至70年代，如今正接近其設計壽命的終點。自20世紀90年代後期以來，美國土木工程師協會（the American Society of Civil Engineers）每四年就會提供一份美國基礎設施報告，而報告結果一直很差甚至不及格。在美國，大約每60萬座橋梁中，就約有8% 的橋梁被認為存在結構缺陷，而每5英裡的高速公路路面中就有一處狀況不佳。在寒冷的氣候條件下，由于反複當機和融化，以及近幾十年來除冰鹽使用量的增加導緻的混凝土退化，這個問題變得愈加嚴重。
“盡管混凝土看起來像堅硬的岩石，但在顯微鏡下看來基本上就是一塊海綿。” 石教授說，“它是一種高度多孔、非均質的複合材料。”
塗有納米改性密封劑的混凝土樣品（左）與未處理的混凝土樣品（右）的比較｜參考文獻[2]
石教授提到，局部密封劑已經成為保護混凝土的一種工具，許多州的交通部門使用它們來保護橋面，尤其是受到了非常嚴重的鹽腐蝕的橋面。市場上的密封劑可以提供一定程度的保護，但是濕氣總能進入混凝土中。
在他們的研究中，研究人員在商用矽酸鹽密封劑中加入了兩種納米材料，氧化石墨烯和蒙脫石納米粘土。納米材料使混凝土的微觀結構變得緻密，使液态水難以滲透。它們還形成了一道屏障，防止水蒸氣和其他氣體侵入混凝土。納米材料還保護混凝土免受除冰鹽的實體和化學侵蝕。經過設計的滲透性密封劑功能多樣，它也可以被用來作為未凝混凝土的固化助援劑。
石教授補充說，華盛頓州立大學開發出的密封劑是以水為基的，而不是使用有機溶劑，這意味着它更環保，對勞工來說也更安全。
“傳統觀點認為，使用水而非有機溶意味着降低了密封劑的性能。”他說，“而我們證明了使用納米材料可以緩解性能下降的問題。”
研究人員已經與行業利益相關者進行了初步的市場分析，并正在研究進一步優化密封劑的方法。他們已經開始着手研究這種基于納米材料的密封劑，試圖揭示在何種程度上密封劑能幫助保護混凝土免受微生物破壞或磨損的影響。他們計劃在未來兩年開展試點規模的示範，在華盛頓州立大學校園或普爾曼（Pullman）進行混凝土基礎設施試驗。
這項工作得到了華盛頓大學上司的國家交通基礎設施耐久性和壽命延長中心（the WSU-led National Center for Transportation Infrastructure Durability and Life-Extension）和華盛頓大學商業化辦公室的支援（the WSU Office of Commercialization）。
參考文獻
[1]https://www.eurekalert.org/news-releases/943613
[2]https://news.wsu.edu/press-release/2022/02/16/nano-engineered-sealer-leads-to-more-durable-concrete/
[3] https://ascelibrary.org/doi/10.1061/%28ASCE%29MT.1943-5533.0004148
編譯：綠洲
編輯：酥魚
排版：尹甯流
題圖來源：Pixabay
研究團隊
通訊作者Xianming Shi（石先明）：華盛頓州立大學土木與環境工程系教授，緻力于通過開展跨學科研究，以減少基礎設施和環境惡化，并實作公路維護和營運的可持續發展。
第一作者Zhipeng Li：華盛頓州立大學土木與環境工程系研究所學生研究助理。
釋出雜志《土木工程材料雜志》Journal of Materials in Civil Engineering
釋出時間2022年1月18日
論文标題Effects of Nanomaterials on Engineering Performance of a Potassium Methyl Siliconate–Based Sealer for Cementitious Composite
（DOI：https://doi.org/10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004148）
文章領域水泥、納米力學、交通工程
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