華盛頓州立大學(WSU)的研究人員開發的一種納米材料工程滲透密封劑，能夠更好地保護混凝土免受水分和鹽的影響——通常這是導致混凝土基礎設施破損的兩個最具破壞性的因素。

目前，迫切需要更有效的密封劑，以在惡劣環境（例如交通流量增加和氯基除冰劑使用增加的橋面）中，保持混凝土基礎設施的完整性和耐久性。

為此，華盛頓州立大學(WSU)的研究人員研究探索了利用氧化石墨烯和蒙脫土納米粘土來提高一種基于甲基硅酸鉀(PMS)的滲透性封閉劑的工程性能的可行性。

在 PMS 密封劑中組合使用 0.15% 重量的鈉蒙脫石納米粘土和 0.06% 重量的氧化石墨烯可獲得最佳密封性能，降低了吸水率和氣體滲透系數。它還增加了水的接觸角和粘度，降低了 PMS 密封劑的滲透深度，并減少凍融循環后砂漿樣品的結垢深度。納米改性密封劑的保護性能提高可歸因于親水基團（─OH）被疏水基團（–CH3)取代以及由混合納米材料引起的密封樣品的微米/納米粗糙度的變化。此外，熱重分析證實了納米粘土與堿性PMS密封劑之間的火山灰反應。建立了兩個經驗回歸模型來量化上述性能參數之間的關系，為納米改性混凝土密封劑的設計和制造提供了定性的指導。

在實驗室研究中，與商用密封劑相比，新型密封劑的防水性提高了75%，鹽害降低了44%。這項工作可以為解決橋梁和人行道老化的挑戰提供另一種方法。

“我們關注的是破壞混凝土完整性和耐久性的主要元兇之一，那就是水分，”領導這項研究的土木與環境工程系教授Xianming Shi說。“如果你能保持混凝土干燥，絕大多數耐久性問題就會消失。”

Shi 和研究生 Zhipeng Li 最近在 Journal of Materials in Civil Engineering 上發表了他們的研究成果，并申請了臨時專利。

美國的許多關鍵基礎設施，如美國高速公路系統，都是在20世紀50年代至70年代修建的，現在已接近其設計壽命的終點。自上世紀90年代末以來，美國土木工程師協會每四年就會提供一份美國基礎設施的成績單，報告中一直顯示出較差或不及格的成績。在美國約60萬座橋梁中，約有8%存在結構缺陷，每5英里的高速公路路面就有1英里狀況不佳。在寒冷的氣候中，由于多次凍融循環以及近幾十年來越來越多的除冰鹽的使用，這一問題變得更加嚴重，因為除冰鹽會降解混凝土。

“混凝土，盡管看起來像堅硬的巖石，但當你在顯微鏡下觀察它時，它基本上就是一塊海綿，”Shi說。“這是一種多孔、非均勻的復合材料。”

外用密封劑已成為保護混凝土的一種工具，許多州的交通部門尤其使用它們來保護橋面，因為橋面似乎受到了最嚴重的鹽害。市場上的密封劑提供了一定程度的保護，但濕氣經常會進入混凝土，Shi說。

在他們的研究中，研究人員將兩種納米材料，氧化石墨烯和蒙脫土納米粘土，添加到一種商用硅樹脂基密封劑中。納米材料使混凝土的微觀結構致密化，使液態水更難滲透。它們還能形成一道屏障，防止水蒸氣和其他氣體進入混凝土。納米材料還保護混凝土免受融冰鹽的物理和化學攻擊。滲透密封劑被設計成多功能的，它還可以作為新混凝土的固化助劑。

Shi 補充說，WSU 的密封劑是水基的，而不是使用任何有機溶劑，這意味著它更環保，對工人更安全。但是通常來說，當用水來替代有機溶劑時，也會犧牲密封劑的性能，而該研究工作可以有效緩解這種性能的下降。

研究人員已經與行業利益相關者做了初步的市場分析，并正在研究進一步優化密封劑的方法。他們正在研究以納米材料為基礎的密封劑如何幫助保護混凝土免受微生物損傷或磨損，在交通繁忙的地區，日常磨損造成的損害同樣不可忽視。他們計劃在未來兩年內進行試點規模的示范，在華盛頓州立大學校園或普爾曼市進行混凝土基礎設施的試驗。

圖1. （a）原裝PMS封閉劑和酚酞染色的PMS封閉劑；(b) 染料足跡檢測的滲透深度。

圖2. (a) 沒有密封劑和 PMS、6G-P 和 15N-6G-P 密封劑的代表性載玻片樣品的水接觸角和表面自由能值；(b) 各種基于 PMS 的封閉劑涂層載玻片樣品。

圖3 (a) PMS密封劑的反應機理；(b)水接觸角與表面化學基團之間的關系圖解；(c)水接觸角和納米粗糙度之間的關系圖；(d) 納米/微米粗糙度。

圖4 (a) 未使用封閉劑和 PMS、6G-P 和 15N-G-P 封閉劑的代表性砂漿試樣的吸水系數；(b) 涂有各種密封劑的砂漿樣品的吸水系數與相應的減少比。

圖5. 不同封閉劑涂覆砂漿試樣的透氣性系數與相應的降低比。

文獻詳情：

Zhipeng Li, Xianming Shi. Effects of Nanomaterials on Engineering Performance of a Potassium Methyl Siliconate–Based Sealer for Cementitious Composite. Journal of Materials in Civil Engineering, 2022; 34 (4) DOI: 10.1061/(ASCE)MT.1943-5533.0004148