在侵蚀性环境中掺入碱催化纳米二氧化硅溶胶以增强碳酸钠活化矿渣砂浆耐久性

为什么更坚固、更环保的混凝土很重要

现代城市、桥梁和港口依赖混凝土，但传统水泥的生产伴随大量碳排放，在海岸和寒冷地区等恶劣环境中也容易快速劣化。本研究考察了一种有前景的替代胶凝材料，它能显著降低二氧化碳排放，同时仍能抵御盐水、冰冻和腐蚀性化学物质。通过在一种新型矿渣砂浆中加入特殊的纳米级二氧化硅成分，研究人员展示了如何在减轻对地球负担的同时建造更耐久的海洋与基础设施工程。

一种新型低碳建筑基材

普通混凝土依赖波特兰水泥，其生产占全球碳排放的相当份额。一种更环保的路径是使用高炉矿渣等工业副产物，并用碱性化学品“激活”以形成坚硬的类石材胶凝体。本研究聚焦于用碳酸钠激活的矿渣砂浆，这种化学品相对更环保且成本低廉，同时能减少收缩和开裂。代价是碳酸钠激活的矿渣砂浆内部通常更为多孔，使其更易受到盐、水以及冻融循环等侵害——这些条件在海洋和道路环境中常见。

细小二氧化硅液滴如何发挥作用

为了解决这一弱点，研究人员加入了不同比例的碱催化纳米二氧化硅溶胶，这是一种含有高度分散的超细二氧化硅颗粒的液态体系。与干燥的纳米二氧化硅粉末不同，该溶胶能在新拌砂浆中均匀扩散。在硬化过程中，纳米二氧化硅与从矿渣中释放的钙反应生成额外的胶结凝胶，多余的颗粒则填补孔隙。团队配制了不同纳米二氧化硅含量的砂浆，并测量了表面碱性、水分吸收、抗冻性能以及硫酸盐和氯离子等有害离子的入侵情况。同时通过显微成像、X射线衍射和孔径分布测量来观察材料内部发生的变化。

经受住水、盐与冰的考验

在所有测试中，含纳米二氧化硅溶胶的砂浆均明显优于对照组。加入的纳米二氧化硅降低了表面碱性，减少了总体孔隙率并降低毛细吸水率，意味着更少的水分渗入。在反复冻融循环下，纳米二氧化硅含量更高的混合物质量损失更小且保留更多强度，其表面也显现出更少的剥落和裂纹。将样品在数月时间里暴露于硫酸钠和硫酸镁溶液——这些化学物质常见于土壤和海水并会侵蚀混凝土——含大约8%纳米二氧化硅的砂浆强度损失明显更小，尤其对更具侵蚀性的硫酸镁的破坏显著降低。在模拟盐水湿干循环和直接氯离子穿透的试验中，富含纳米二氧化硅的砂浆对离子入侵的抵抗力同样更强，穿透深度和迁移速率相比未处理样品降低了半数以上。

材料内部发生的变化

成像和结构分析揭示了这些性能提升的原因。纳米二氧化硅溶胶促成了更致密的内部网络，许多大中孔被转化为更细的凝胶毛细孔，连续通道数量减少。这种细化的孔隙结构使水分和侵蚀性离子更难物理迁移。同时，加入的二氧化硅促进了更广泛且更稳定的胶结凝胶形成，将矿渣颗粒以三维骨架方式紧密结合。诸如乙硫铝酸盐、石膏、菱镁矿（氢氧化镁）以及含氯盐等易膨胀、导致裂缝的晶体在含纳米二氧化硅的配方中数量更少，因为更少的离子能够进入，且更多离子被胶体和纳米颗粒表面钝化吸附。

这对未来建筑的意义

对非专业读者而言，结论是：微小且分散良好的二氧化硅液滴能将一种相对脆弱、多孔的低碳砂浆转变为更坚固、更致密的材料，从而更好地抵御恶劣环境。通过精细化孔隙网络并稳定内部凝胶，碱催化纳米二氧化硅溶胶显著提升了对水、盐和冻融损伤的抵抗力，本研究中约8%的掺量取得了最优的总体效果。这一方法为海洋构筑物、道路和其他暴露于侵蚀性条件的基础设施提供了一条实用且低成本的耐久、环保砂浆与混凝土途径。

引用: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

关键词: 碱激活矿渣, 纳米二氧化硅溶胶, 混凝土耐久性, 硫酸盐和氯离子侵蚀, 低碳建筑