纳米颗粒的“双刃剑”效应：SiO2与Al2O3在高温环境下对水泥砂浆性能的临界评估

《Results in Materials》：When Nanoparticles Hurt: A Critical Assessment of SiO 2 and Al 2O 3 in Cement Mortar

本研究针对纳米SiO2与Al2O3在高温气候水泥砂浆中的应用风险开展系统性评估。通过模拟巴格达/巴士拉极端环境（45°C、40km/h风速、30-35%湿度），发现纳米材料剂量≤1.0wt%时可提升密实度与力学性能，但≥1.5wt%将引发团聚效应导致孔隙率上升、收缩加剧。研究为高温地区纳米改性建材的剂量优化提供关键阈值。

　　

在建筑材料技术飞速发展的今天，纳米材料改性水泥基复合材料已成为提升工程性能的热门方向。以往研究多聚焦于纳米SiO₂（纳米二氧化硅）和Al₂O₃（纳米氧化铝）等材料在理想条件下对水泥砂浆力学强度的增强作用，却鲜少关注其在真实恶劣环境中的表现隐患。当这些纳米颗粒遭遇高温、强风、低湿度等极端气候条件时，其微观结构的改变可能使“增强剂”逆转为“破坏源”。这一问题在伊拉克等热带地区尤为突出——夏季气温常达45°C，伴随40km/h的干热风，传统纳米改性砂浆的长期耐久性面临严峻考验。

为此，来自穆斯坦西里亚大学工程学院的Ali A. Salman、Mohammed Ali Abdulrehman、Ahmed Hafedh Mohammed和Hussam A. Goaiz团队在《Results in Materials》发表研究，首次系统揭示了SiO₂/Al₂O₃纳米颗粒在模拟伊拉克夏季环境下的临界剂量效应。研究通过构建多指标性能评价体系，明确指出纳米颗粒的“受益阈值”，为高温地区纳米建材的精准应用提供科学依据。

本研究主要采用流动度测试（ASTM C230）、力学强度测试（ASTM C109/C384）、干燥收缩测定（ASTM C596）、热导率分析（ASTM C1113）等标准化方法，结合扫描电子显微镜（SEM）、汞侵入孔隙测定法（MIP）和氦气比重计等微观表征技术。特别设计的气候模拟装置可精准复现巴格达（30%湿度）与巴士拉（35%湿度）的夏季环境参数，所有试样均采用伊拉克本地水泥和标准砂制备。

流动度测试结果

随着纳米颗粒掺量从0.5%增至2.0%，砂浆流动直径由17.8cm（基准组PC）持续降至13.8cm（PS4）和14.5cm（PA4）。纳米SiO₂因更小的粒径（20-60nm）和更大比表面积（160-200m²/g），其工作性劣化程度显著高于Al₂O₃。这表明高剂量纳米颗粒会通过吸附自由水加剧浆体黏度上升。

力学性能结果（含塑性收缩影响）

在标准养护条件下，1.0%纳米SiO₂（PS2）和1.5%纳米Al₂O₃（PA3）分别使抗压强度提升至32.6MPa和31.7MPa（基准组28.1MPa）。但经巴格达环境模拟后，PS2和PA3的强度分别衰减14.11%和17.66%。SEM显示试样表面出现3.9-10.8μm的连通孔隙，证明纳米颗粒在高温下阻碍毛细管水分迁移，加剧局部干燥收缩。

干燥收缩与热导率变化

当纳米掺量达2.0%时，干燥收缩率较基准组飙升85.71%（PS4）至100%（PA4）。热导率则因颗粒填充效应呈剂量依赖性上升，PS4组热导系数达2163W/m·°C（基准组1611W/m·°C），意味着保温性能显著劣化。

微观结构解读

MIP数据表明：低剂量组（PS1/PA1）总孔隙率降至17.2%-17.5%（基准组18.6%），而高剂量组（PS4/PA4）升至20.0%-20.8%。SEM图像清晰显示，≥1.5%掺量时纳米颗粒发生团聚，形成应力集中点并破坏界面过渡区（ITZ）连续性。

与文献阳性结果的对比分析

研究指出，本文结论与既往报道的纳米材料增强效应并不矛盾。例如Li等发现低剂量纳米SiO₂可提升抗硫酸盐侵蚀性，El-Feky等证实纳米纤维素能优化孔隙结构。本研究的关键突破在于明确了“剂量-环境”交互作用：在高温高蒸发条件下，超过1.0-1.5%的纳米掺量将导致性能拐点。

该研究首次构建了纳米改性水泥砂浆在极端气候下的“剂量-危害”响应关系，揭示当SiO₂/Al₂O₃掺量超过1.0wt%时，其引发的团聚效应和孔隙劣化将抵消原有的增强作用。这一发现不仅修正了过往盲目推崇高剂量纳米改性的技术倾向，更为热带地区建材配比设计提供了临界控制指标。未来研究需进一步探索表面改性、分散工艺等对抗团聚效应的策略，以拓展纳米材料在特殊气候条件下的安全应用边界。