华盛顿州立大学（Washington State University）的研究人员通过纳米材料工程开发出的渗透密封剂，能够更好地保护混凝土免于受潮和盐腐蚀。而潮湿和盐分是导致北部各州混凝土基础设施崩坏的首要威胁因素。
将实验室研究结果与市面上的密封剂对比后发现，这种新型密封剂在防水防潮效果方面改善了75%，而在降低盐腐蚀方面则改进了44%。这项工作能为美国解决桥梁和人行道老化问题提供新方法。
领导这项工作的土木与环境工程系教授石先明说：“我们重点关注防潮性能，这是影响混凝土完整性和耐久性的主要因素之一。如果能保持混凝土干燥，绝大多数耐久性问题就会迎刃而解。”
石教授和他的研究生最近在《土木工程材料杂志》上发表了他们的工作，并申请了临时专利。
论文截图
美国的许多关键基础设施，例如美国的高速公路系统，建于20世纪50年代至70年代，如今正接近其设计寿命的终点。自20世纪90年代后期以来，美国土木工程师协会（the American Society of Civil Engineers）每四年就会提供一份美国基础设施报告，而报告结果一直很差甚至不及格。在美国，大约每60万座桥梁中，就约有8% 的桥梁被认为存在结构缺陷，而每5英里的高速公路路面中就有一处状况不佳。在寒冷的气候条件下，由于反复冻结和融化，以及近几十年来除冰盐使用量的增加导致的混凝土退化，这个问题变得愈加严重。
“尽管混凝土看起来像坚硬的岩石，但在显微镜下看来基本上就是一块海绵。” 石教授说，“它是一种高度多孔、非均质的复合材料。”
涂有纳米改性密封剂的混凝土样品（左）与未处理的混凝土样品（右）的比较｜参考文献[2]
石教授提到，局部密封剂已经成为保护混凝土的一种工具，许多州的交通部门使用它们来保护桥面，尤其是受到了非常严重的盐腐蚀的桥面。市场上的密封剂可以提供一定程度的保护，但是湿气总能进入混凝土中。
在他们的研究中，研究人员在商用硅酸盐密封剂中加入了两种纳米材料，氧化石墨烯和蒙脱石纳米粘土。纳米材料使混凝土的微观结构变得致密，使液态水难以渗透。它们还形成了一道屏障，防止水蒸气和其他气体侵入混凝土。纳米材料还保护混凝土免受除冰盐的物理和化学侵蚀。经过设计的渗透性密封剂功能多样，它也可以被用来作为未凝混凝土的固化助援剂。
石教授补充说，华盛顿州立大学开发出的密封剂是以水为基的，而不是使用有机溶剂，这意味着它更环保，对工人来说也更安全。
“传统观点认为，使用水而非有机溶意味着降低了密封剂的性能。”他说，“而我们证明了使用纳米材料可以缓解性能下降的问题。”
研究人员已经与行业利益相关者进行了初步的市场分析，并正在研究进一步优化密封剂的方法。他们已经开始着手研究这种基于纳米材料的密封剂，试图揭示在何种程度上密封剂能帮助保护混凝土免受微生物破坏或磨损的影响。他们计划在未来两年开展试点规模的示范，在华盛顿州立大学校园或普尔曼（Pullman）进行混凝土基础设施试验。
这项工作得到了华盛顿大学领导的国家交通基础设施耐久性和寿命延长中心（the WSU-led National Center for Transportation Infrastructure Durability and Life-Extension）和华盛顿大学商业化办公室的支持（the WSU Office of Commercialization）。
参考文献
[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
编译：绿洲
编辑：酥鱼
排版：尹宁流
题图来源：Pixabay
研究团队
通讯作者Xianming Shi（石先明）：华盛顿州立大学土木与环境工程系教授，致力于通过开展跨学科研究，以减少基础设施和环境恶化，并实现公路维护和运营的可持续发展。
第一作者Zhipeng Li：华盛顿州立大学土木与环境工程系研究生研究助理。
发布杂志《土木工程材料杂志》Journal of Materials in Civil Engineering
发布时间2022年1月18日
论文标题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）
文章领域水泥、纳米力学、交通工程
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