研究进展：文物保护混凝土-智能材料 | Nature Reviews Materials

尽管混凝土concrete是二十世纪最重要的建筑材料，但混凝土建筑文化遗产意义及其保护的重要性，并没有得到广泛认可。欧盟InnovaConcrete项目的主要目的是，开发基于纳米技术的混凝土保护方法，并提高公民对混凝土遗产重要性的认识。

Advanced smart materials for preserving concrete heritage buildings.
保护混凝土文物建筑的先进智能材料。

1、文物保护混凝土

建筑遗产Built Heritage是指从历史、艺术或科学的角度来看，具有突出普遍价值的一系列建筑作品、纪念性雕塑、考古性质的元素或结构。建筑遗产保护，分别通过重新利用历史建筑和促进旅游业，以促进可持续发展和经济发展。然而，气候变化日益关切到建筑遗产保护和代际传承，迫切需要制定创新、持久和有效的保护解决方案。

到目前为止，最有前景的保护方法，都集中在保存天然石材上。直到19世纪，天然石材一直是使用最多的建筑材料。然而，如今，混凝土是迄今为止使用最多的建筑材料，估计每年生产300亿吨。由于水泥材料的多功能性、良好的机械阻力和易于处理，二十世纪见证了建筑技术的革命，从而产生了现代建筑。尽管在过去一个世纪里，建造了许多具有重要文化意义的混凝土文物建筑，但其保护情况几乎没有得到调查。以混凝土为基础的建筑，作为文化遗产元素的识别能力较弱，从而令混凝土杰作被拆除或变得面目全非。

欧洲联盟创新混凝土项目InnovaConcrete，由地平线2020框架计划资助，由来自11个国家的29个合作伙伴组成的跨学科联盟组成，该项目诞生于文物保护混凝土的需要。创新混凝土项目InnovaConcrete有两个目标：基于纳米科学的理论和实验方法，开发保护方法，并提高公民对混凝土文物重要性的认识。这些建筑的保存、修复和寻找新的“生命”也符合可持续发展目标，因为拆除和建造替代建筑，会在材料生产、能源和水的使用或废弃物管理方面产生巨大的环境足迹。

2、文物混凝土保护材料的设计

创新混凝土项目InnovaConcrete，最重要的创新之一是开发了新的浸渍处理方法，能够密封腐朽混凝土结构内的初始裂缝，同时保持建筑物的美观，并最大限度地提高与基底上存在的成分的化学相似性。这些浸渍处理，基于低聚烷氧基硅烷，该低聚烷氧基硅烷能够在存在水分（环境或混凝土孔隙中存在）的情况下，通过简单的溶胶-凝胶过程，在腐烂混凝土的裂缝内发生反应。该过程形成与基底化学键合的二氧化硅（SiO2）和水合硅酸盐。二氧化硅低聚物的硅烷醇基团，再与氢氧化钙（在水泥固化反应期间形成的主要矿物之一）反应，产生硅酸钙水合物（C-S-H）凝胶（图1，顶部中图），这也是水泥浆的成分，最终呈现了其出色的机械性能。这一过程，在二氧化硅低聚物渗透到腐烂混凝土的裂缝内部后自发发生，为结构提供机械加固。

图1：InnovaConcrete项目期间与先进材料开发和评估相关的活动的图形摘要。

为了开发这种处理方法，需要对水泥基材及其与二氧化硅低聚物的相互作用进行深入评估。通过多模型模拟和实验验证相结合的方法，实现了老化混凝土裂缝中，C-S-H凝胶形成优化。图1（右上）数值预测了产物在孔隙结构中的毛细流动。模拟优化后，该技术在实验室水平上对1000多个砂浆样品进行了评估。在结构完好的样品中获得的结果，与在经受不同老化条件（在物理、机械和化学降解下）的砂浆中，获得的结果进行了比较，证实了新的处理，因其损伤而可以容易地渗透到腐烂的混凝土裂缝中粘度。在具有不同孔结构的胶凝材料中，Monte Carlo模型建立了处理渗透深度与其物理化学性质（粘度、表面张力、密度、反应速率）之间的关系，这对于优化溶胶性质，以实现在混凝土结构中的最大渗透，是至关重要的。在该项目为期两年的时间里，InnovaConcrete材料用于修复托里切拉佩利尼亚（意大利）的天使一战纪念碑，并在欧洲七个已建成的遗产资产上进行了现场测试，包括弗罗茨瓦夫（波兰）的百年纪念大厅、希洪（西班牙）的埃洛吉奥·德尔奥里藏特雕塑、考纳斯（立陶宛）的第九堡垒和罗马（意大利）的弗拉米尼奥体育场（图1，右下）。

3、建筑文物保护的新方法抵御水行动

另一个挑战是保护混凝土建筑遗产免受水行动的影响，水腐蚀water action是气候变化促进的主要腐蚀剂。联合国教科文组织气候变化和文化遗产世界遗产委员会确认，与水有关的影响是古迹和历史建筑面临的主要威胁。气候变化产生的与水有关的影响，包括水位上升和相关的洪水风险、微生物的生长和盐的迁移（来自盐雾或污染，如酸雨），这些影响，使表面退化并加速腐蚀过程。气候变化也促进了干旱周期，这增加了盐结晶的影响，促进了污染物析出，并使支撑建筑物地基的土壤变干。

在InnovaConcrete项目期间开发，文物保护处理的重要优点之一是，其配方可以进行修改，以结合诸如疏水性、超疏水性、腐蚀抑制、光活性、防污或去污染性能等功能。这方面的实例，包括使用有机硅组分对最终二氧化硅结构进行改性，或掺入纳米二氧化硅以改变粗糙度，掺入介孔二氧化硅载体以控制活性组分（有机腐蚀抑制剂或生物杀灭剂）的释放，或掺入光活性TiO2颗粒，以降解有机污渍和污染物。

在防止水作用的背景下，对湿润、去湿和排斥现象进行深入评估和了解，可以为保护遗产提供新的和未被怀疑的方法。为此，根据在InnovaConcrete中获得的结果，开发了两种基于控制润湿现象的仿生创新策略。第一种方法由超疏水涂层组成，这是一种在天然结构（如荷叶或漫步者腿）中观察到的属性。通过添加具有脂肪族短烷基链的低聚和单体有机硅组分，改变了硅溶胶的化学结构，从而实现超疏水性。有机硅组分的加入，降低了涂覆表面的表面能，而前体的选择，对于控制溶胶的粘度和表面张力，以获得最佳渗透深度，是至关重要的。纳米/微米颗粒（能够与溶胶组分结合）沉积在表面上，并在基底本身上产生规则的粗糙度，有助于实现超疏水的Cassie-Baxter润湿状态，其中气穴受困在粗糙谷和水之间，减少了有效接触面积（图1，左上）。

第二种策略是探索创造超亲水（而不是超疏水）表面，以保护建筑遗产免受水的影响，这代表了一种新的方法。超亲水表面减少了有机污染物（煤烟颗粒、油性气溶胶）和微生物对建筑遗址的粘附。在城市和工业地区，非极性污染物的影响变得越来越重要。尽管表面改性为超亲水性，但经处理的建筑材料内孔保持其疏水特性（图1，左下），这是一种受鱼鳞启发的方法。然后，经处理的建筑材料，使表面具有高抗污性，并且还能防止水的作用。基于光活性TiO2颗粒，在TiO2晶体网络中产生缺陷（即Ti3+和氧空位），并在其暴露于来自太阳光的紫外辐射时，具有增加的表面能，促进了表面的超亲水性。这些缺陷与水分的相互作用，在表面上形成高极性的Ti-OH基团，产生了超亲水行为。

创新混凝土项目InnovaConcrete的技术发展，为混凝土文物建筑的保护，提供了一个很好的前景。一些新材料产品是专门为混凝土设计的，并根据文物保护标准进行了验证。此外，获得关于与混凝土的化学相互作用的知识，以及建模辅助优化过程的开发，将有助于为具有特定保护需求的结构或胶结材料开发定制处理。同样重要的是，混凝土遗产保护的社会层面，因为对从InnovaConcrete案例研究（采用生态系统服务方法）中获得的调查数据的分析证明，尽管普遍缺乏认识，但意识倡议的实施和新一代的参与，已开始改变对现代建筑的看法。

文献链接

https://www.nature.com/articles/s41578-022-00531-z

DOI: https://doi.org/10.1038/s41578-022-00531-z

本文译自Nature，英文作者：西班牙 加迪斯大学(Universidad de Cádiz)María J. Mosquera，Rafael Zarzuela，Manuel Luna。