纳米二氧化硅改性风积沙混凝土在盐冻环境下的耐久性与吸水特性研究

针对风积沙混凝土(ASC)在盐冻循环(SFTC)中抗冻性和抗渗性不足的问题，研究人员通过掺入纳米SiO2(NS)制备改性混凝土(N-A)，系统评估了NS含量对相对动弹性模量(RDEM)、质量损失率和毛细吸水率的影响。结果表明3% NS可显著提升ASC的密实度和耐久性，微观结构分析揭示NS通过火山灰效应和填充作用优化孔隙结构。该研究为高海拔盐渍地区混凝土工程提供了新材料解决方案。

　　

随着建筑行业对河砂需求的激增，过度开采导致河流生态系统遭受严重破坏。寻找河砂替代材料成为解决生态与建设矛盾的关键。风积沙混凝土(ASC)虽展现出替代潜力，但其高孔隙率导致的密实度不足问题制约了应用。尤其在盐冻交替的高海拔地区，混凝土结构面临氯盐侵蚀与冻融循环(SFTC)的双重破坏，传统ASC更易因膨胀应力和弗里德尔盐(Friedel's salt)形成而加速劣化。

为突破这一瓶颈，内蒙古自治区某高校团队在《Materials Today Communications》发表研究，通过掺入纳米二氧化硅(NS)改性ASC，系统探究了不同NS掺量(0%-4%)对混凝土盐冻耐久性的影响。研究采用宏观性能测试(相对动弹性模量RDEM、质量损失率)、毛细吸水实验与微观表征(SEM、核磁共振NMR)相结合的方法，并创新性引入灰色熵关联分析，揭示了NS提升ASC性能的多重机制。

材料与配比
实验采用P·O42.5水泥与Ⅱ级粉煤灰作为胶凝材料，NS粒径<20nm。通过控制NS掺量(0%、1%、2%、3%、4%)制备五组试件，以河砂与风积沙为细骨料，确保各组水胶比一致。

表观形貌分析
SFTC循环后，未掺NS的ASNS-0组试件表面砂浆剥落最严重，175次循环后剥落面积达15.2%。而NS掺量为3%的ASNS-3组仅出现微量剥落(3.8%)，SEM显示其界面过渡区(ITZ)裂纹数量减少62%，证实NS有效抑制了盐冻损伤的扩展。

抗冻性与抗渗性
经175次SFTC后，ASNS-3组的RDEM保持率(85.6%)显著高于ASNS-0组(41.2%)，质量损失率(1.32%)仅为后者(2.88%)的45.8%。毛细吸水实验表明，3%NS使吸水质量降低53.7%，归因于NS的火山灰效应促进C-S-H凝胶生成，使孔隙率下降39.2%(NMR数据)。

微观机制
灰色熵关联分析显示，表面粗糙度与吸水率变化与RDEM呈强相关性(熵权>0.8)。NS通过双重作用改善性能：(1)早期加速水泥水化，消耗Ca(OH)₂生成致密C-S-H；(2)纳米颗粒填充10-100nm级孔隙，使有害孔占比从21.4%降至9.7%。

结论与展望
研究确定3%为NS最佳掺量，过量添加会因团聚效应导致性能下降。该成果为高海拔盐渍环境混凝土工程提供了新材料设计思路。未来研究可聚焦：(1)不同水胶比与养护温度的协同效应；(2)NS与其他纳米材料的复合改性；(3)全生命周期环境效益评估。

这项研究不仅解决了ASC在恶劣环境下的应用瓶颈，更通过多尺度分析方法建立了宏观性能与微观结构的关联模型，为耐久性混凝土设计提供了新范式。