斑駁的橋墩、出現裂紋的防波堤……海水對混凝土的腐蝕肉眼可見。受“荷葉不沾水”啟發(fā)，青島理工大學土木工程學院李紹純教授團隊聯合企業(yè)研發(fā)了一種仿生超疏水涂層，給混凝土穿上一層“防水服”。這種“防水服”不但可以解決陸上地下室滲水問題，還攻克了海工混凝土的離子滲透-微生物耦合腐蝕抑制難題，能夠顯著提升海工混凝土結構的耐久性能，相關技術產品在青島地鐵1號線、中德生態(tài)園、青島國際院士港、新興重工集團（區(qū)域）總部一期工程中得到應用。
破解“傳統(tǒng)涂層易脫落”難題
在很多人看來，混凝土是一種十分致密的材料，但實際上，混凝土存在大量孔洞，海水中的氯離子和微生物通過孔洞與混凝土及其內部的鋼筋大面積接觸，進而造成腐蝕。為了解決這個問題，有些研究團隊從混凝土本身入手，使其變得更加密實；有些團隊則是從表面防護入手，給混凝土加一層特殊涂層。李紹純教授團隊的研發(fā)思路就屬于后者。
在研究中，李紹純教授團隊發(fā)現，涂層的種類有很多，但大多存在一個問題，那就是容易脫落，而重新涂刷的成本又很高。怎樣解決這個問題呢？李紹純教授團隊首先從海洋微生物在混凝土表面的附著規(guī)律和機理出發(fā)，通過研究生物膜的形成、生長過程，建立海洋微生物對混凝土的腐蝕動力學模型。然后在此基礎上，基于仿生學理論構建超疏水涂層，探索超疏水涂層對海洋微生物腐蝕動力學的影響機制，并通過實海暴露實驗，建立超疏水涂層微結構與防生物腐蝕作用的定量關系，明確時空變化對超疏水涂層長期防護效果的影響規(guī)律，為保障海工混凝土結構安全及長壽命運行提供理論依據與技術支撐。
納米級“小樹”在混凝土上“扎根”
這里的仿生指的是“仿荷葉結構”。簡而言之，荷葉表面有無數比水分子還要小的“凸起”，能夠把水滴“撐住”，形成超疏水效應。在現實生活中，有很多防水產品就是依據這種原理研制的。但是李紹純告訴記者，仿荷葉的結構在金屬、玻璃等致密、平整、光滑的物體表面容易構建，但混凝土表面是粗糙、開放的，有很多孔洞，用常規(guī)方法難以構建仿荷葉的結構。
為了攻克這個難題，李紹純教授團隊在材料組成方面尋找突破點，用一種有機材料和混凝土發(fā)生反應，使其滲透到混凝土表層，形成緊密貼合的效果，然后在此基礎上，用無機納米材料做成荷葉表面的“凸起”。李紹純形容說，在微觀尺度上，混凝土表層就像綿延起伏的小山，而有機材料就如同土壤，無機納米材料就像根植于土壤上的一棵棵小樹。他們把土壤和樹“打包”刷在山上，只要刷一次，就能對山形成長久的防水保護，海水進不來，水中的氯離子、微生物等也就無法對混凝土造成腐蝕。“我們的仿生超疏水涂層可以做到與混凝土壽命一樣長。”李紹純介紹。
據了解，憑借“仿生超疏水涂層在混凝土表層的構建及對海洋生物腐蝕的抑制作用機理與效果研究”，李紹純教授團隊在2020年申請到了國家自然科學基金項目的支持。團隊研發(fā)的技術和產品在青島地鐵1號線、中德生態(tài)園、青島國際院士港、新興重工集團（區(qū)域）總部一期工程中得到應用。
