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.

作者团队来自香港理工大学土木与环境工程系碳中和资源工程研究中心、河南科学院化学研究所和华北水利电力大学。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adma.202405492

2 研究背景

混凝土表面应用超疏水材料可以显著提高其耐久性，防止水分损害。

 传统超疏水混凝土表面设计存在剥落和表面坚固性差的问题，而通过添加疏水剂或颗粒的设计则可能损害混凝土强度。

3 研究思路

受碳化现象的启发，开发了一种原位生产的超疏水混凝土表面方法，该方法通过在 Mg²⁺中浸渍碳化。在本研究中含有硅烷-水系统，在这个过程中，（Ca/Mg）碳酸盐晶体的原位生长促进了混凝土表面微/纳米结构的形成，硅烷有助于降低混凝土的表面能。由于微/纳米结构起源于混凝土基体的自生长，因此预计超疏水表面将表现出足够的坚固性和耐久性。此外，成本低、工艺简单、CO₂封存使其成为一种理想的方法。

4 研究内容

本研究提出了一种名为“浸渍碳化”的新方法，通过在混凝土样本中注入含有Mg²⁺的硅烷水体系并连续注入CO₂，实现了超疏水结构的原位生长。研究结果显示，经过120分钟的处理，混凝土表面的接触角达到了171.9°，且强度没有明显下降。这一成果主要归因于形成了具有微纳米结构的Ca_xMg_1-xCO₃晶体，并通过硅烷降低了碳酸盐的表面能。此外，这种超疏水混凝土结构具有超疏水-疏水-亲水三层结构，能够在机械疲劳、毛细吸水、紫外线老化、硫酸盐侵蚀和杂质水冲击等测试中提供稳定的防水保护。

5 主要结论

通过在含Mg²⁺的硅烷-水体系中连续注入CO₂，在混凝土上原位生长微/纳米结构的新设计方法成功开发。反应过程中，CO₃^2-与混凝土中浸出的Ca²⁺和溶液中的Mg²⁺反应形成碳酸盐晶体，导致微观粗糙度增加，硅烷降低了混凝土的表面能。在碳化初期，MgCO₃颗粒的生长形成了超疏水表面，5 min时的接触角为161.1°。在后期，Ca_xMg_1-xCO₃的持续生长导致了更高的超疏水性，120 min时的接触角为171.9°。

经过120 min碳酸化的样品表现出优异的表面坚固性。在30 m砂纸磨损距离和500 g砂冲击后，表面保持超疏水性。其抗压强度为46.88 MPa，与参考样品的47.78 MPa相似。120 min样品的防水性能显著提高，吸水率比参考样品下降了82.9%。

超疏水混凝土表面在与各种杂质水进行30次冲击循环后保持了稳定的接触角，表现出优异的抗杂质水冲击性。浸渍碳酸化120 min后，超疏水混凝土样品的理想性能归因于3层结构，包括碳酸化超疏水层（235.10±32.12 µm，表层）、非碳酸化疏水层（906.54±186.76 µm，中间层）和未经处理的亲水层（内层）。

6 研究意义

这项研究的创新之处在于利用CO₂引导的原位生长技术，不仅解决了传统方法中存在的问题，还为设计环保型超疏水混凝土提供了新思路。此外，该技术在反应过程中每平方米能捕获29.80克的CO₂，具有显著的环保效益。这不仅为混凝土的耐久性提升开辟了新途径，也为减少建筑行业的碳足迹提供了可能。