Проникающий герметик на основе наноматериалов, разработанный исследователями Университета штата Вашингтон, способен лучше защитить бетон от влаги и соли — двух наиболее разрушительных факторов разрушающейся бетонной инфраструктуры в северных штатах.

В лабораторных исследованиях новый герметик показал улучшение водоотталкивающих свойств на 75 % и снижение повреждения от соли на 44 % по сравнению с коммерческим герметиком. Эта работа может стать дополнительным способом решения проблемы старения мостов и тротуаров в США.

«Мы сосредоточились на одном из главных виновников, который ставит под угрозу целостность и долговечность бетона, а именно на влаге», — сказал Сяньмин Ши, профессор кафедры гражданского и экологического проектирования, руководивший работой. «Если вы сможете сохранить бетон сухим, подавляющее большинство проблем с долговечностью исчезнет».

Ши и аспирант Жипэн Ли недавно опубликовали свою работу в Journal of Materials in Civil Engineering и подали заявку на получение предварительного патента.

Большая часть критической инфраструктуры страны, такая как система автомобильных дорог США, была построена в период с 1950-х по 1970-е годы, и в настоящее время подходит к концу срок службы, на который она была рассчитана. Каждые четыре года, начиная с конца 1990-х годов, Американское общество инженеров-строителей предоставляет табель успеваемости по инфраструктуре США, в котором постоянно показываются плохие или неудовлетворительные оценки. Около 8% из примерно 600 000 мостов в США считаются конструктивно дефектными, а каждые пять миль дорожного покрытия находятся в плохом состоянии. Проблема усугубляется в холодном климате из-за многочисленных циклов замораживания и оттаивания, а также из-за более широкого использования солей против обледенения в последние десятилетия, которые могут разрушить бетон.

«Бетон, несмотря на то, что он кажется твердым камнем, в основном представляет собой губку, если смотреть на него под микроскопом», — сказал Ши. «Это очень пористый, негомогенный композитный материал».

Местные герметики стали одним из инструментов для защиты бетона, и многие государственные департаменты транспорта используют их, в частности, для защиты настилов мостов, которые, похоже, больше всего страдают от повреждения солью. По словам Ши, представленные на рынке герметики обеспечивают некоторый уровень защиты, но влага часто может проникнуть в бетон.

В своем исследовании исследователи добавили два наноматериала, оксид графена и наноглину монтмориллонита, в коммерческий герметик на основе силикона. Наноматериалы уплотнили микроструктуру бетона, что затрудняет проникновение жидкой воды . Они также образуют барьер против проникновения водяного пара и других газов, которые имеют тенденцию проникать в бетон. Наноматериал также защитил бетон от физических и химических воздействий солей против обледенения. Проникающий герметик разработан, чтобы быть многофункциональным, так как он также может служить вспомогательным средством для отверждения свежего бетона.

Ши добавил, что герметик WSU изготовлен на водной основе, а не с использованием какого-либо органического растворителя, что означает, что он более экологичен и безопасен для рабочих.

«Традиционно, когда вы переключаетесь с органического растворителя на воду, вы жертвуете эффективностью герметика», — сказал он. «Мы продемонстрировали, что использование наноматериалов смягчает это снижение производительности».

Исследователи провели предварительный анализ рынка с заинтересованными сторонами в отрасли и изучают способы дальнейшей оптимизации герметиков. Они исследуют, как герметики на основе наноматериалов могут помочь защитить бетон от микробного повреждения или истирания, ежедневного износа, который повреждает материал в местах с интенсивным движением. Они планируют провести пилотные демонстрации в ближайшие два года, развернув эксперимент с бетонной инфраструктурой в кампусе WSU или в городе Пуллман.