华盛顿州立大学(WSU)的研究人员开发的一种纳米材料工程渗透密封剂，能够更好地保护混凝土免受水分和盐的影响——通常这是导致混凝土基础设施破损的两个最具破坏性的因素。

目前，迫切需要更有效的密封剂，以在恶劣环境（例如交通流量增加和氯基除冰剂使用增加的桥面）中，保持混凝土基础设施的完整性和耐久性。

为此，华盛顿州立大学(WSU)的研究人员研究探索了利用氧化石墨烯和蒙脱土纳米粘土来提高一种基于甲基硅酸钾(PMS)的渗透性封闭剂的工程性能的可行性。

在 PMS 密封剂中组合使用 0.15% 重量的钠蒙脱石纳米粘土和 0.06% 重量的氧化石墨烯可获得最佳密封性能，降低了吸水率和气体渗透系数。它还增加了水的接触角和粘度，降低了 PMS 密封剂的渗透深度，并减少冻融循环后砂浆样品的结垢深度。纳米改性密封剂的保护性能提高可归因于亲水基团（─OH）被疏水基团（–CH3)取代以及由混合纳米材料引起的密封样品的微米/纳米粗糙度的变化。此外，热重分析证实了纳米粘土与碱性PMS密封剂之间的火山灰反应。建立了两个经验回归模型来量化上述性能参数之间的关系，为纳米改性混凝土密封剂的设计和制造提供了定性的指导。

在实验室研究中，与商用密封剂相比，新型密封剂的防水性提高了75%，盐害降低了44%。这项工作可以为解决桥梁和人行道老化的挑战提供另一种方法。

“我们关注的是破坏混凝土完整性和耐久性的主要元凶之一，那就是水分，”领导这项研究的土木与环境工程系教授Xianming Shi说。“如果你能保持混凝土干燥，绝大多数耐久性问题就会消失。”

Shi 和研究生 Zhipeng Li 最近在 Journal of Materials in Civil Engineering 上发表了他们的研究成果，并申请了临时专利。

美国的许多关键基础设施，如美国高速公路系统，都是在20世纪50年代至70年代修建的，现在已接近其设计寿命的终点。自上世纪90年代末以来，美国土木工程师协会每四年就会提供一份美国基础设施的成绩单，报告中一直显示出较差或不及格的成绩。在美国约60万座桥梁中，约有8%存在结构缺陷，每5英里的高速公路路面就有1英里状况不佳。在寒冷的气候中，由于多次冻融循环以及近几十年来越来越多的除冰盐的使用，这一问题变得更加严重，因为除冰盐会降解混凝土。

“混凝土，尽管看起来像坚硬的岩石，但当你在显微镜下观察它时，它基本上就是一块海绵，”Shi说。“这是一种多孔、非均匀的复合材料。”

外用密封剂已成为保护混凝土的一种工具，许多州的交通部门尤其使用它们来保护桥面，因为桥面似乎受到了最严重的盐害。市场上的密封剂提供了一定程度的保护，但湿气经常会进入混凝土，Shi说。

在他们的研究中，研究人员将两种纳米材料，氧化石墨烯和蒙脱土纳米粘土，添加到一种商用硅树脂基密封剂中。纳米材料使混凝土的微观结构致密化，使液态水更难渗透。它们还能形成一道屏障，防止水蒸气和其他气体进入混凝土。纳米材料还保护混凝土免受融冰盐的物理和化学攻击。渗透密封剂被设计成多功能的，它还可以作为新混凝土的固化助剂。

Shi 补充说，WSU 的密封剂是水基的，而不是使用任何有机溶剂，这意味着它更环保，对工人更安全。但是通常来说，当用水来替代有机溶剂时，也会牺牲密封剂的性能，而该研究工作可以有效缓解这种性能的下降。

研究人员已经与行业利益相关者做了初步的市场分析，并正在研究进一步优化密封剂的方法。他们正在研究以纳米材料为基础的密封剂如何帮助保护混凝土免受微生物损伤或磨损，在交通繁忙的地区，日常磨损造成的损害同样不可忽视。他们计划在未来两年内进行试点规模的示范，在华盛顿州立大学校园或普尔曼市进行混凝土基础设施的试验。

图1. （a）原装PMS封闭剂和酚酞染色的PMS封闭剂；(b) 染料足迹检测的渗透深度。

图2. (a) 没有密封剂和 PMS、6G-P 和 15N-6G-P 密封剂的代表性载玻片样品的水接触角和表面自由能值；(b) 各种基于 PMS 的封闭剂涂层载玻片样品。

图3 (a) PMS密封剂的反应机理；(b)水接触角与表面化学基团之间的关系图解；(c)水接触角和纳米粗糙度之间的关系图；(d) 纳米/微米粗糙度。

图4 (a) 未使用封闭剂和 PMS、6G-P 和 15N-G-P 封闭剂的代表性砂浆试样的吸水系数；(b) 涂有各种密封剂的砂浆样品的吸水系数与相应的减少比。

图5. 不同封闭剂涂覆砂浆试样的透气性系数与相应的降低比。

文献详情：

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