纳米二氧化硅与木灰协同增强混合砂浆力学性能的可持续解决方案研究

推荐：为解决水泥生产导致的温室气体排放问题，研究人员开展木灰(WA)与纳米二氧化硅溶液(NSS)协同改性砂浆的研究。通过21组配比实验发现，5% WA+1.1% NSS组合使28天抗压强度达59.5 MPa，较对照组提升16.2%，同时1.7% NSS显著提升抗折强度。该研究为绿色高性能混凝土开发提供新思路。

　　

随着全球建筑行业对水泥的持续依赖，其生产过程中每吨水泥释放0.9吨CO₂的问题日益严峻。传统水泥工业占全球温室气体排放的8%，而农业废弃物如木灰(WA)的不当处置又加剧了环境压力。在此背景下，寻找既能降低碳排放又能提升建材性能的解决方案成为研究热点。纳米材料科学与废弃物资源化利用的交叉领域为此提供了新思路，特别是纳米二氧化硅(NS)因其超高比表面积和强火山灰活性，在改善水泥基材料性能方面展现出独特优势。

南非约翰内斯堡的研究团队在《Results in Engineering》发表论文，系统评估了木灰与纳米二氧化硅溶液(NSS)对混合砂浆力学性能的协同效应。研究采用黑荆树木灰和浓度0.265 mol/L的NSS，通过21组不同配比实验(水胶比0.5-0.67)，发现5% WA与1.1% NSS组合使28天抗压强度达59.5 MPa，超过对照组16.2%；而1.7% NSS使90天抗折强度提升至9.9 MPa。这些发现不仅满足南非标准SANS 50196-1对高强度砂浆的要求，更开辟了农业废弃物高值化利用的新途径。

关键技术方法包括：1) 采用X射线衍射(XRD)分析材料晶体结构；2) 参照SANS 5864标准进行力学测试；3) 建立含0.6%-1.7% NS的梯度实验体系；4) 使用300 kN万能试验机测定力学性能。样本来源于当地餐饮服务的黑荆树木灰，通过严格控制NSS浓度(0.265 mol/L)确保实验重现性。

研究结果部分显示：

1. 抗压强度：5% WA+1.1% NSS组在28天时强度达59.5 MPa，显著高于对照组的51.2 MPa。扫描电镜显示NS通过孔隙细化作用和促进C-S-H凝胶形成增强基体致密度。
2. 抗折强度：含1.7% NS的配方表现突出，WA05NS1.7组在90天时达9.9 MPa，较对照组(8.6 MPa)提升15%。NS的桥接效应和WA的微集料填充共同改善材料韧性。
3. 剂量效应：WA超过10%时力学性能下降，但NS的加入可部分抵消高WA含量的负面影响，如WA15NS1.7组的抗折强度仍比纯WA组提高9.86%。

讨论部分强调，该研究首次系统阐明WA与NS的协同机制：WA中的SiO₂(53.57%)和Al₂O₃(33.98%)提供火山灰活性组分，而NS通过纳米尺度成核效应加速C-S-H凝胶形成。这种"微纳协同"作用使材料在28天龄期即达到高强度标准，缩短施工周期。从环境效益看，每立方米混凝土可减少80kg水泥用量，相当于减排72kg CO₂。

该研究的创新性在于：1) 明确5% WA为最佳掺量阈值；2) 建立NSS浓度-强度定量关系；3) 提出"农业废弃物-纳米技术"协同改性模型。未来研究可拓展至其他生物质灰种，并探索NS的绿色合成路径。这些发现为发展低碳建材提供了兼具工程可行性和经济性的解决方案，对推动建筑行业"双碳"目标实现具有重要实践意义。