超低温冻融环境下混凝土的力学性能退化及微结构劣化趋势快于普通低温冻融。通常，研究人员将混凝土的超低温冻融破坏归因于混凝土内部孔溶液的冻结，并形成了诸多破坏理论，如静水压理论、渗透压理论、微冰晶理论等。然而，孔隙水冻结相关的物理机制无法解释超低温混凝土的部分异常现象。例如，即使没有孔隙水的冻结影响，干燥的混凝土在超低温侵蚀下也可能发生明显的退化现象。另外，试验观测到，随着温度的降低，混凝土的抗压强度在−120°C左右达到最大值，温度继续下降时，其抗压强度并不继续增长，反而有一定程度的降低。这些现象不能简单地归因于孔隙水的冻结。于是，我们自然而然地可将这些异常现象与混凝土基体进行关联。作为水泥基材料的主要胶结相，水化硅酸钙（C-S-H）可显著影响其机械性质及耐久性。由蒋正武教授领衔的可持续混凝土研究团队提出从孔隙水冻结和混凝土基体微纳结构本征劣化两方面考虑混凝土在超低温侵蚀下的劣化机制，团队先前的研究结果显示，C-S-H相在超低温侵蚀下，难以保持其微纳结构和纳米力学性质的稳定性。在此，明确C-S-H本身的劣化机制，可进一步促进理解超低温混凝土劣化机理；提出相应C-S-H结构增强策略，则可为超低温混凝土高性能设计提供科学依据。

Fig. 1. C-(A)-S-H的多尺度结构模型

本研究是可持续混凝土研究团队在超低温混凝土研究方面的连续产出成果，旨在揭示C-(A)-S-H在超低温侵蚀作用下的结构稳定性，并评估铝原子掺杂作为自下而上的C-S-H增强策略的作用。采用了多尺度分析方法对C-(A)-S-H纳米（铝）硅氧链结构、层间结构、基本胶粒单元结构、孔结构和形貌等进行了实验研究。这些结果表明，即使在没有孔隙水的情况下，超低温侵蚀也能破坏C-(A)-S-H结构，而铝原子的掺杂则能有效稳定C-A-S-H结构。在超低温侵蚀下，无铝C-S-H的硅氧链断裂，产生更多缺陷空位，导致其d002层间空间下降，基本构件体积坍塌，进一步形成微裂纹。相比之下，C-A-S-H的铝硅氧链更稳定，平均链长更长，甚至发生轻微聚合。不同于C-S-H基本胶粒单元，C-A-S-H基本胶粒单元不会在超低温侵蚀下轻易发生结构塌陷。

Fig. 2. C-(A)-S-H在超低温侵蚀下的纳米结构演变

基于多尺度结构分析结构，研究人员提出了C-S-H在超低温侵蚀作用下，其结构从原子尺度到介观尺度的自下而上劣化路径，即：硅氧链的断裂或引起层间塌陷，由此引发C-S-H基本胶粒单元间形成局部缺陷，这些局部缺陷的进一步扩展而形成微裂纹。研究证实，在硅氧链中掺杂铝原子是一种有效的自下而上增强策略，可明显增强C-(A)-S-H的微结构的超低温稳定性。相比之下，铝在硅酸盐链中的掺入稳定了C-A-S-H结构，铝硅氧链交联度及聚合度的增加，增大了链的刚度，其好处是提高了层间空间和层里孔的稳定性。因此，C-A-S-H基本胶粒单元不会发生明显的体积收缩，其孔隙结构也比无铝相更稳定。

Fig. 3. C-(A)-S-H基本胶粒单元在超低温侵蚀下的结构演变

Fig. 4. 超低温侵蚀下C-S-H微结构的自下而上劣化路径

本项研究成果为连续产出成果，受到国家自然科学基金的资助和经费支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力低碳先进土木工程材料可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计在Advanced Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文70余篇。

本项研究成果已在线发表在Composites Part B: Engineering杂志，欢迎大家点击原文链接下载浏览。