超低溫凍融環境下混凝土的力學性能退化及微結構劣化趨勢快于普通低溫凍融。通常，研究人員将混凝土的超低溫凍融破壞歸因于混凝土内部孔溶液的凍結，并形成了諸多破壞理論，如靜水壓理論、滲透壓理論、微冰晶理論等。然而，孔隙水凍結相關的物理機制無法解釋超低溫混凝土的部分異常現象。例如，即使沒有孔隙水的凍結影響，幹燥的混凝土在超低溫侵蝕下也可能發生明顯的退化現象。另外，試驗觀測到，随着溫度的降低，混凝土的抗壓強度在−120°C左右達到最大值，溫度繼續下降時，其抗壓強度并不繼續增長，反而有一定程度的降低。這些現象不能簡單地歸因于孔隙水的凍結。于是，我們自然而然地可将這些異常現象與混凝土基體進行關聯。作為水泥基材料的主要膠結相，水化矽酸鈣（C-S-H）可顯著影響其機械性質及耐久性。由蔣正武教授領銜的可持續混凝土研究團隊提出從孔隙水凍結和混凝土基體微納結構本征劣化兩方面考慮混凝土在超低溫侵蝕下的劣化機制，團隊先前的研究結果顯示，C-S-H相在超低溫侵蝕下，難以保持其微納結構和納米力學性質的穩定性。在此，明确C-S-H本身的劣化機制，可進一步促進理解超低溫混凝土劣化機理；提出相應C-S-H結構增強策略，則可為超低溫混凝土高性能設計提供科學依據。

Fig. 1. C-(A)-S-H的多尺度結構模型

本研究是可持續混凝土研究團隊在超低溫混凝土研究方面的連續産出成果，旨在揭示C-(A)-S-H在超低溫侵蝕作用下的結構穩定性，并評估鋁原子摻雜作為自下而上的C-S-H增強策略的作用。采用了多尺度分析方法對C-(A)-S-H納米（鋁）矽氧鍊結構、層間結構、基本膠粒單元結構、孔結構和形貌等進行了實驗研究。這些結果表明，即使在沒有孔隙水的情況下，超低溫侵蝕也能破壞C-(A)-S-H結構，而鋁原子的摻雜則能有效穩定C-A-S-H結構。在超低溫侵蝕下，無鋁C-S-H的矽氧鍊斷裂，産生更多缺陷空位，導緻其d002層間空間下降，基本構件體積坍塌，進一步形成微裂紋。相比之下，C-A-S-H的鋁矽氧鍊更穩定，平均鍊長更長，甚至發生輕微聚合。不同于C-S-H基本膠粒單元，C-A-S-H基本膠粒單元不會在超低溫侵蝕下輕易發生結構塌陷。

Fig. 2. C-(A)-S-H在超低溫侵蝕下的納米結構演變

基于多尺度結構分析結構，研究人員提出了C-S-H在超低溫侵蝕作用下，其結構從原子尺度到介觀尺度的自下而上劣化路徑，即：矽氧鍊的斷裂或引起層間塌陷，由此引發C-S-H基本膠粒單元間形成局部缺陷，這些局部缺陷的進一步擴展而形成微裂紋。研究證實，在矽氧鍊中摻雜鋁原子是一種有效的自下而上增強策略，可明顯增強C-(A)-S-H的微結構的超低溫穩定性。相比之下，鋁在矽酸鹽鍊中的摻入穩定了C-A-S-H結構，鋁矽氧鍊交聯度及聚合度的增加，增大了鍊的剛度，其好處是提高了層間空間和層裡孔的穩定性。因此，C-A-S-H基本膠粒單元不會發生明顯的體積收縮，其孔隙結構也比無鋁相更穩定。

Fig. 3. C-(A)-S-H基本膠粒單元在超低溫侵蝕下的結構演變

Fig. 4. 超低溫侵蝕下C-S-H微結構的自下而上劣化路徑

本項研究成果為連續産出成果，受到國家自然科學基金的資助和經費支持。蔣正武教授可持續混凝土團隊多年來一直緻力低碳先進土木工程材料可持續化理論與方法的研究主線，近5年累計在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊發表SCI論文70餘篇。

本項研究成果已在線發表在Composites Part B: Engineering雜志，歡迎大家點擊原文鍊接下載浏覽。