纳米工程化碱激发混凝土：提升结构性能与可持续性

《Results in Engineering》：Nano-Engineered Alkali-Activated Concrete: Enhancing Structural Performance and Sustainability

　　

传统普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）混凝土在恶劣暴露条件下存在显著的环境影响和耐久性限制。在本研究中，研究人员开发了掺入工业废弃物基纳米材料（nanomaterials，NMs）的碱激发纳米混凝土（alkali-activated nano concrete，AANC），以增强界面和结构性能，同时提升可持续性。研究人员通过实验研究了纳米粉煤灰（nano fly ash，nFA）、纳米磨细粒化高炉矿渣（nano Ground Granulated Blast Furnace Slag，nGS）和纳米膨润土（nano bentonite，nBT）对AANC抗压强度（compressive strength）、粘结强度（bond strength）和界面剪切强度（interfacial shear strength）行为的影响。混凝土混合料采用粉煤灰（fly ash，FA）、磨细粒化高炉矿渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS）、机制砂、粗骨料和不同NM掺量的碱性激发剂制备。结果表明，掺入NMs后力学性能和界面性能显著改善。含9% nFA、12% nGS和6% nBT的最佳混合料将抗压强度（compressive strength，CS）从37.25 MPa提高到60.37 MPa。在所有混合料中，nGS12表现出最高的综合性能，粘结强度（bond strength，BS）超过8 MPa，界面剪切强度（interfacial shear strength，ISS）达到6.1 MPa，其次是nFA9，其界面增强效果优异。扫描电子显微镜（SEM）分析显示，由于纳米尺度孔结构细化和增强的地质聚合物凝胶形成，微观结构更加致密，界面过渡区（interfacial transition zone，ITZ）得到改善。抗压强度与界面性能之间存在强指数相关性（R² ≈ 0.94–0.95），证实了所开发的纳米工程化体系的可靠性。研究结果表明，纳米工程化工业废弃物材料可以显著提高AANC的结构适用性、荷载传递能力和耐久性潜力，使其成为恶劣服役环境中高性能混凝土应用的有前景的可持续替代方案。

**研究背景与意义**
传统普通硅酸盐水泥（Ordinary Portland Cement，OPC）混凝土是建筑行业的基石材料，但其生产不仅消耗大量能源，还释放约全球总排放量8%的二氧化碳（CO₂），主要源于石灰石煅烧过程。此外，OPC混凝土还存在抗化学侵蚀性差、恶劣环境性能不佳及可回收性低等耐久性问题。因此，开发更环保且性能更优的替代材料成为迫切需求。碱激发纳米混凝土（alkali-activated nano concrete，AANC）作为一种替代方案，通过使用粉煤灰（fly ash，FA）和磨细粒化高炉矿渣（Ground Granulated Blast Furnace Slag，GGBFS）等工业废弃物，经氢氧化钠（NaOH）和硅酸钠（Na₂SiO₃）等碱性溶液激发，无需OPC即可生产，不仅减少CO₂排放，还实现工业废弃物再利用，促进建筑过程可持续发展。纳米材料（nanomaterials，NMs）如纳米粉煤灰（nano fly ash，nFA）、纳米磨细粒化高炉矿渣（nano Ground Granulated Blast Furnace Slag，nGS）和纳米膨润土（nano bentonite，nBT）的掺入可进一步提升AANC性能，通过增大比表面积和反应活性，使微观结构更致密，从而提高抗压强度（compressive strength，CS）、界面剪切强度（interfacial shear strength，ISS）和粘结强度（bond strength，BS），并增强抗环境降解能力。然而，现有研究多集中于多种NMs混合或单一NM的孤立应用，且主要关注抗压强度和耐久性，对粘结强度和界面剪切强度行为的同步研究较少。因此，本研究旨在通过nFA、nGS和nBT的综合比较评估，确定最佳NM掺量，以增强AANC的结构、界面和可持续性能。该论文发表在《Results in Engineering》。

**主要关键技术方法**
研究人员采用高能球磨法制备nFA、nGS和nBT，将FA、GGBFS和膨润土（bentonite，BT）在800°C下热处理2小时以提高理化稳定性和非晶态反应活性，随后通过球磨将粒径减小至纳米尺度。实验所用FA（符合ASTM C618标准）和GGBFS（符合ASTM C989标准）购自本地，BT亦本地采购。混凝土混合料以FA、GGBFS、机制砂（M-sand，符合ASTM C33标准）、粗骨料及碱性激发剂（NaOH和Na₂SiO₃）制备，NM以3%、6%、9%、12%和15%的质量比例替代胶凝材料。通过坍落度试验（ASTM C143）、抗压强度试验（IS 516）、拉拔试验（pull-out test，PO）评估粘结强度、推出试验（push-off test）评估界面剪切强度、吸水率试验（ASTM C1585）和毛细吸水系数试验（sorptivity test，ASTM C1585-13）评估耐久性，并采用扫描电子显微镜（scanning electron microscopy，SEM）进行微观结构分析。

**研究结果**
**3.1 坍落度（Slump）**：通过坍落度试验发现，NMs的掺入显著影响AANC的工作性。坍落度值随NM掺量增加而降低，nBT对工作性损失最大，其次是nGS和nFA。这是由于纳米颗粒的高比表面积和需水量增加所致。

**3.2 抗压强度（Compressive strength）**：28天养护后，对照组CS为40.69 MPa。nFA掺入使CS范围为37.25–56.14 MPa，最佳掺量9%。nGS掺入显著提高CS至47.07–60.37 MPa，最佳掺量12%，较对照组提升48.37%。nBT掺入使CS范围为42.48–45.24 MPa，最佳掺量6%。强度提升归因于微观结构致密化、孔隙填充和聚合反应增强。

**3.3 拉拔试验结果（Pull out test results）**
**3.3.1 粘结强度（Bond strength）**：对照组BS为2.93 MPa。nFA掺量9%时BS超过8 MPa，nGS掺量9–12%时BS超过8.7 MPa（nGS12最佳），nBT掺量6–9%时BS最高达7.41 MPa。nGS12表现出最优粘结性能，归因于高钙含量促进C-A-S-H凝胶形成，致密界面过渡区（interfacial transition zone，ITZ）。
**3.3.2 破坏模式（Failure mode）**：nFA试件呈现渐近裂缝扩展和致密断裂面，呈韧性破坏；nGS试件呈现明显锥形裂缝和深层拉拔痕迹，呈高粘结强度但稍脆性破坏；nBT试件呈现复合破坏模式，伴有表面微裂纹。
**3.3.3 粘结强度与抗压强度的关系（Relation between BS and CS）**：CS与BS呈正相关指数关系（R²=0.9359），经验公式为y=0.6689e^0.0449x（y为BS，x为CS）。

**3.4 推出试验结果（Push off test results）**
**3.4.1 界面剪切强度（Interfacial shear strength）**：nFA掺量9%时ISS为5.5 MPa；nGS掺量12%时ISS最高达6.1 MPa，且具有较高掺量容忍度；nBT掺量6%时ISS为4.53 MPa。nGS12表现出最优剪切性能，归因于C-A-S-H凝胶形成和微观结构致密化。
**3.4.2 破坏模式（Failure mode）**：破坏呈阶梯状或锯齿状剪切路径，nGS试件呈现较陡且洁净的断裂面，nBT试件在低掺量时呈延性破坏特征。
**3.4.3 界面剪切强度与抗压强度的关系（Relation between ISS and CS）**：CS与ISS呈指数正相关（R²=0.9532），经验公式为y=0.9675e^0.0311x（y为ISS，x为CS）。

**3.5 耐久性性能（Durability properties）**
**3.5.1 吸水率（Water Absorption）**：对照组WA为3.76%。nGS12最低为2.78%，nFA9为2.97%。NM掺入通过纳米填充效应减少微孔和毛细孔，降低WA。nBT混合料WA较高，归因于膨润土的层状亲水结构。
**3.5.2 毛细吸水系数（Sorptivity）**：对照组24小时毛细吸水系数为96 mm³/mm²，nGS12最低为86 mm³/mm²，nFA9也低于对照组，nBT6相对较高。

**3.6 粘结与界面剪切强度增强机制（Mechanisms of Bond and Interfacial Shear Strength Enhancement）**：NM作为纳米填充剂占据微孔，细化孔结构，增强ITZ致密性和连续性；高比表面积促进地质聚合反应和额外凝胶形成，提高基体内聚力和机械互锁；均匀分布的纳米颗粒通过裂纹桥接和裂纹阻碍机制限制ITZ区域微裂纹扩展。

**3.7 微观结构分析（Microstructural analysis）**：SEM显示对照组（nM0）表面粗糙多孔；nFA9呈现纤维状有序结构；nGS12呈现颗粒状致密微观结构，微裂纹和孔洞减少；nBT6表面不规则。NM掺入使AANC基体致密化，增强界面过渡区。

**3.8 AANC的可持续性性能（Sustainability performance of AANC）**：nFA、nGS和nBT的单独掺入均能提升AANC的力学和可持续性能。生命周期清单分析显示，NaOH和Na₂SiO₃贡献最高隐含能和碳排放，nFA、nGS和nBT的温室气体排放（GHG-e）分别为0.016、0.065和0.213 t-CO₂/t，能耗分别为1.644、2.468和2.111 GJ/t。nBT-AANC表现出最高的成本效率（约0.51 MPa/$/m³），其次为nGS-AANC（0.47 MPa/$/m³）和nFA-AANC（0.42 MPa/$/m³）。与常规OPC体系相比，AANC可降低CO₂排放约40–80%。

**讨论与结论**
讨论部分总结了NM掺入对AANC性能的综合影响：nGS因高钙含量和C-A-S-H凝胶形成，在粘结强度和界面剪切强度方面表现最优；nFA通过增强地质聚合和颗粒填充提供平衡改善；nBT在低掺量时通过细颗粒填充改善变形行为，但高掺量因需水量和膨胀特性带来负面影响。研究结论如下：NM掺入降低工作性，但所有混合料在常温养护下保持可接受工作性；CS显著提高，nFA9达56.14 MPa，nGS12达60.37 MPa；BS和ISS大幅提升，nGS12的BS超过8.7 MPa，ISS达6.1 MPa；nBT6适度提升CS（45.24 MPa）和BS（7.41 MPa）；SEM证实致密微观结构和ITZ改善；最佳NM掺量降低吸水率和毛细吸水系数，提升耐久性；利用FA和GGBFS等工业副产物促进可持续性。未来研究需评估长期耐久性、采用XRD、FTIR、EDS等先进表征技术，并开展生命周期评估、隐含碳分析及NM分散优化。