朱歌，现任郑州商学院智能建造学院专任教师，主要承担《工程计量与计价》《工程造价案例分析》《计算机辅助工程造价》《工程经济学》等课程的教学工作，主持并参与多项课程教育教学改革项目。在科研方面，发表SCI论文2篇、CN期刊论文7篇，主持或参与多项厅级课题，其中厅级项目获一等奖2项，参编教材1部，获软件著作权1项。指导学生参赛成绩突出，荣获BIM毕业设计创新大赛二等奖、全国数字建筑创新应用大赛二等奖、建美中原二等奖、第六届“鲁班杯”全国高校BIM毕业设计作品大赛三等奖等多项奖项。个人曾获郑州商学院“教书育人先进个人”“优秀毕业论文指导教师”以及智能建造学院“四有好老师”等荣誉称号。
在全球气候变化治理背景下，碳捕集、利用与封存技术是实现碳中和的关键路径之一，但其核心结构——钢-水泥界面在高温高压CO2环境中的长期稳定性面临严峻挑战。该界面的失效可能导致封存气体泄漏，加速全球气候变暖，引发更频繁的极端天气事件；若泄漏至地下水层，将导致水体酸化，污染饮用水源，危及农业生产和粮食安全；局部高浓度CO2聚集还可能造成人员窒息等直接生命危险，严重抵消碳封存应有的生态效益。近期智能建造学院朱歌教师所在团队设计了一套高度仿真的实验系统，选用常用于油井套管的N80钢材与普通波特兰水泥，在模拟地层盐水中，将其置于10MPa、50℃的高温高压CO2环境中，通过采用防护涂层、腐蚀抑制剂，以及掺入粉煤灰等辅助材料改性水泥基体，可有效延缓材料劣化进程，从而保障碳封存设施长期安全运行，为人类构建可靠的气候治理工程技术屏障。该研究成果于2024年4月发表于《Materials Science-Poland》，引发建筑行业广泛关注。文章具体链接为：https://sciendo.com/article/10.2478/msp-2023-0045
图1 文章首页
在全球气候变化治理背景下，碳捕集、利用与封存技术是实现碳中和的关键路径之一，但其核心结构——钢-水泥界面在高温高压CO2环境中的长期稳定性面临严峻挑战。该界面的失效可能导致封存气体泄漏，加速全球气候变暖，引发更频繁的极端天气事件；若泄漏至地下水层，将导致水体酸化，污染饮用水源，危及农业生产和粮食安全；局部高浓度CO2聚集还可能造成人员窒息等直接生命危险，严重抵消碳封存应有的生态效益。近期智能建造学院朱歌教师所在团队设计了一套高度仿真的实验系统，选用常用于油井套管的N80钢材与普通波特兰水泥，在模拟地层盐水中，将其置于10MPa、50℃的高温高压CO2环境中，通过采用防护涂层、腐蚀抑制剂，以及掺入粉煤灰等辅助材料改性水泥基体，可有效延缓材料劣化进程，从而保障碳封存设施长期安全运行，为人类构建可靠的气候治理工程技术屏障。该研究成果于2024年4月发表于《Materials Science-Poland》，引发建筑行业广泛关注。文章具体链接为：https://sciendo.com/article/10.2478/msp-2023-0045
图2. N80钢表面在CO暴露前后的
双目照片和SEM图像
然而，更严峻的挑战还在后面。水泥基体的劣化同样触目惊心。XRD图谱中，水化硅酸钙的衍射峰随暴露时间逐渐减弱，而方解石的衍射峰持续增强，印证了碳化反应的深入。扫描电镜直观展示了水泥微观结构从致密到疏松的蜕变。纳米压痕测试数据显示，水泥石硬度从1.25GPa降至0.65GPa，弹性模量同步下滑。这些变化共同导致水泥基体的力学性能与防护功能显著削弱。
图3. （A）未暴露
(B）暴露后水泥浆的SEM图像
（C）水泥浆的XRD图谱
图4.（A）SEM图像
（B）CO暴露后钢-水泥界面EDX光谱
（C）钢-水泥界面上的电位动态极化曲线
最关键的发现终于浮出水面。研究表明，钢-水泥界面区才是整个结构的“阿喀琉斯之踵”。超声波检测显示界面声阻抗值从45.0M-Rayl降至34.0M-Rayl，结合质量显著下降。SEM图像中可见明显的界面缝隙。更令人警觉的是，界面处钢材的电化学活性远超本体：腐蚀电流密度高达3.4μA/cm2，腐蚀电位负移至-572mV，证明这里已成为腐蚀的“优先通道”。微区拉曼光谱在界面处检测到方解石与菱铁矿的富集，揭示了该区域复杂的物质迁移与反应机制。
图5. 钢界面处的电化学参数
图6. 钢-水泥界面的超声波测试结果
面对这一严峻挑战，研究人员找到了突破之道，材料层面，创新解决方案正不断涌现：采用含铬镍的耐蚀合金钢直面腐蚀挑战；在水泥中科学配比粉煤灰等材料，重塑其抗碳化基因；更妙的是，为脆弱界面“穿上”环氧树脂或锌涂层等防护外衣，这道物理屏障将有效阻断腐蚀侵袭。
更值得期待的是，智能监测技术的融入让工程防护如虎添翼。通过将声阻抗和腐蚀电流密度作为井筒健康的“听诊器”，我们能够实时掌握结构状态；在设计阶段就预见材料退化趋势，预留合理安全空间；再配合定期检测与风险评估体系，真正实现从被动维修到主动防护的跨越。
尽管挑战艰巨，但材料科学、电化学与界面工程的交叉融合，正为我们开辟出一条通向“CO2耐受型结构”的创新路径。这场钢与水泥之间的“腐蚀密码”，终将在科技的光芒下，迎来光明的防线。未来已来，唯有持续探索，方能筑牢人类与CO2共存的工程基石。