[01184508]混凝土表面渗透型超疏水涂层的仿生设计、构建与性能研究

混凝土耐久性问题是当今土木工程界面临的重大课题。在诸多耐久性劣化过程中,水分的存在和迁移是不可或缺的必要条件和关键因素,进行防水处理则是提高混凝土耐久性的有效方法之一。本项目首先从诸多硅烷材料中进行优选,同时利用溶胶-凝胶法结合相分离技术,合成出硅烷/TEOS复合材料和硅烷/SiO2溶胶复合材料;然后从混凝土表面化学组成与微观结构设计出发,在其表面构建硅烷/TEOS疏水涂层和硅烷/SiO2溶胶超疏水涂层;最后重点研究了两种疏水涂层对混凝土吸水性能、抗氯离子侵蚀、抗硫酸盐侵蚀、抗碳化和抗冻融能力的影响,并探索了疏水涂层对混凝土耐久性能提升机理。研究结果表明,（1）异丁基三乙氧基硅烷可以与TEOS（正硅酸乙酯）在Span 80和PPG O复合乳化剂作用下,合成出性质稳定的硅烷/TEOS复合材料,并在混凝土表面形成防水效果良好的疏水涂层,透水指数下降50%左右;（2）在硅烷/TEOS疏水涂层的防护下,即使混凝土表面出现0.2mm的裂缝或者受到深达5mm的磨损,仍然具有非常良好的憎水性能,毛细吸水系数比未处理时降低40%~50%;（3）硅烷/TEOS疏水涂层可以有效地阻止氯离子在混凝土中的渗透和扩散,氯离子扩散系数仅为1.3×10-12m2·s-1;（4）采用硅烷和SiO2溶胶可以在混凝土表面构建超疏水涂层,水在混凝土表面的接触角达到149.7°,利用SiO2溶胶与Ca（OH）2的二次水化反应,可使混凝土表面微观结构更加致密,进一步提高了混凝土的防水性能;（5）硅烷/SiO2溶胶超疏水涂层有效降低了Cl-、SO42-等离子在混凝土中的浓度和扩散系数;通过防止水分的扩散,该涂层使混凝土的碳化深度降低了60%;经该涂层处理的混凝土,经过150次冻融循环后,质量损失仅为0.48%,相对动弹性模量达到90.6%,提高了其抗冻融能力。本项目所研发的硅烷/TEOS疏水涂层和硅烷/SiO2溶胶超疏水涂层已经应用于青荣高速铁路双岛湾跨海大桥项目,经过1年多的运行,目前防护效果良好。因此,本项目为提升我国海洋环境下混凝土的耐久性,保障混凝土结构的长寿命运行、低成本维护提供了一定的理论基础与技术参考。