1 文章信息
Long Jiang, Zihan Ma, Zhenjiang Gu, Peiliang Shen, Yong Tao, Weihua Li, Chi-Sun Poon. Impregnate Carbonation: CO2-Guided In Situ Growth of Robust Superhydrophobic Structures on Concrete Surfaces[J]. Advanced Materials, First published: 23 August 2024.
作者團(tuán)隊(duì)來自香港理工大學(xué)土木與環(huán)境工程系碳中和資源工程研究中心、河南科學(xué)院化學(xué)研究所和華北水利電力大學(xué)。
文章鏈接：https://doi.org/10.1002/adma.202405492
2 研究背景
混凝土表面應(yīng)用超疏水材料可以顯著提高其耐久性，防止水分損害。
傳統(tǒng)超疏水混凝土表面設(shè)計(jì)存在剝落和表面堅(jiān)固性差的問題，而通過添加疏水劑或顆粒的設(shè)計(jì)則可能損害混凝土強(qiáng)度。
3 研究思路
受碳化現(xiàn)象的啟發(fā)，開發(fā)了一種原位生產(chǎn)的超疏水混凝土表面方法，該方法通過在 Mg2+中浸漬碳化。在本研究中含有硅烷-水系統(tǒng)，在這個過程中，（Ca/Mg）碳酸鹽晶體的原位生長促進(jìn)了混凝土表面微/納米結(jié)構(gòu)的形成，硅烷有助于降低混凝土的表面能。由于微/納米結(jié)構(gòu)起源于混凝土基體的自生長，因此預(yù)計(jì)超疏水表面將表現(xiàn)出足夠的堅(jiān)固性和耐久性。此外，成本低、工藝簡單、CO2封存使其成為一種理想的方法。
4 研究內(nèi)容
本研究提出了一種名為“浸漬碳化”的新方法，通過在混凝土樣本中注入含有Mg2+的硅烷水體系并連續(xù)注入CO2，實(shí)現(xiàn)了超疏水結(jié)構(gòu)的原位生長。研究結(jié)果顯示，經(jīng)過120分鐘的處理，混凝土表面的接觸角達(dá)到了171.9°，且強(qiáng)度沒有明顯下降。這一成果主要?dú)w因于形成了具有微納米結(jié)構(gòu)的CaxMg1-xCO3晶體，并通過硅烷降低了碳酸鹽的表面能。此外，這種超疏水混凝土結(jié)構(gòu)具有超疏水-疏水-親水三層結(jié)構(gòu)，能夠在機(jī)械疲勞、毛細(xì)吸水、紫外線老化、硫酸鹽侵蝕和雜質(zhì)水沖擊等測試中提供穩(wěn)定的防水保護(hù)。
5 主要結(jié)論
通過在含Mg2+的硅烷-水體系中連續(xù)注入CO2，在混凝土上原位生長微/納米結(jié)構(gòu)的新設(shè)計(jì)方法成功開發(fā)。反應(yīng)過程中，CO32-與混凝土中浸出的Ca2+和溶液中的Mg2+反應(yīng)形成碳酸鹽晶體，導(dǎo)致微觀粗糙度增加，硅烷降低了混凝土的表面能。在碳化初期，MgCO3顆粒的生長形成了超疏水表面，5 min時的接觸角為161.1°。在后期，CaxMg1-xCO3的持續(xù)生長導(dǎo)致了更高的超疏水性，120 min時的接觸角為171.9°。
經(jīng)過120 min碳酸化的樣品表現(xiàn)出優(yōu)異的表面堅(jiān)固性。在30 m砂紙磨損距離和500 g砂沖擊后，表面保持超疏水性。其抗壓強(qiáng)度為46.88 MPa，與參考樣品的47.78 MPa相似。120 min樣品的防水性能顯著提高，吸水率比參考樣品下降了82.9%。
超疏水混凝土表面在與各種雜質(zhì)水進(jìn)行30次沖擊循環(huán)后保持了穩(wěn)定的接觸角，表現(xiàn)出優(yōu)異的抗雜質(zhì)水沖擊性。浸漬碳酸化120 min后，超疏水混凝土樣品的理想性能歸因于3層結(jié)構(gòu)，包括碳酸化超疏水層（235.10±32.12 μm，表層）、非碳酸化疏水層（906.54±186.76 μm，中間層）和未經(jīng)處理的親水層（內(nèi)層）。
6 研究意義
這項(xiàng)研究的創(chuàng)新之處在于利用CO2引導(dǎo)的原位生長技術(shù)，不僅解決了傳統(tǒng)方法中存在的問題，還為設(shè)計(jì)環(huán)保型超疏水混凝土提供了新思路。此外，該技術(shù)在反應(yīng)過程中每平方米能捕獲29.80克的CO2，具有顯著的環(huán)保效益。這不僅為混凝土的耐久性提升開辟了新途徑，也為減少建筑行業(yè)的碳足跡提供了可能。
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