我院蒋正武教授可持续混凝土研究团队，围绕国家“双碳”战略与现代化基础设施体系建设的重大需求，开展了低碳、负碳水泥混凝土材料的制备、反应机理与断裂破坏机制等基础科学问题研究，取得了系列突破性成果，接连发表于土木工程材料领域权威期刊Cement and Concrete Research及Cement & Concrete Composites。以下为相关论文介绍：

一、   硅铝酸钙质固废中玻璃相的碳化反应机理

硅酸盐固废能吸收空气中的二氧化碳，将其转化为稳定的碳酸盐，是二氧化碳矿化封存的重要途径。团队聚焦固废中的玻璃相，研究其中的铝质组分对碳化反应的影响，从分子、纳米与微观等尺度揭示了铝对玻璃结构与碳化反应的影响机制。研究成果以“Effect of alumina on the carbonation reactivity of calcium aluminosilicate glasses”为题发表在《水泥混凝土研究》（Cement and Concrete Research）。第一作者为李晨助理教授，通讯作者为蒋正武教授。

团队研究发现，铝原子形成带负电的四面体结构，并与硅氧四面体优先结合为高聚态的原子团簇，使玻璃体中的非桥氧浓度降低、阳离子迁移性能减弱，不利于材料的碳化。在碳化反应过程中，铝质组分溶解并在玻璃颗粒表面产生特性吸附，抑制碳酸钙的成核并影响其形态特征（图1）。研究成果为深入理解固废碳化反应的过程与机制提供理论思路，也为工业固废碳封存技术的发展提供支撑。

图1 铝对玻璃态硅铝酸钙碳化反应的影响机制

二、   超细矿物协同调控高韧UHPFRC微观多尺度结构及其断裂破坏机理

基于构建可定向调控的多尺度韧性增益路径提升水泥基材料宏观力学性能是一项极具前景的材料设计理论。团队聚焦超高性能纤维增强混凝土（UHPFRC）中胶凝体系的多尺度结构特征，通过引入纳米硅灰（USF）和超细粉煤灰（UFFA）两类超细矿物掺料，建立了基于“纳米水化产物结构–微观界面特性–宏观材料力学”耦合调控的高韧UHPFRC多尺度优化技术。研究成果以“Multi-scale mechanical behaviors of ultra-high performance fiber-reinforced concrete influenced by ultra-fine mineral additives: A hierarchical perspective on toughness gain modulation”为题发表在《水泥混凝土研究》（Cement and Concrete Research）。第一作者为郑乔木博士，通讯作者为蒋正武教授。

研究表明，两类超细矿物掺料可协同促进火山灰反应，显著增强C-(A)-S-H的的多尺度结构特性。纳米尺度上，USF提高C-(A)-S-H的内聚力与弹性模量，UFFA提升其摩擦系数，二者共同增强C-(A)-S-H的纳米刚度与力链传递能力。微/宏观尺度上，USF体系表现出更高的基体刚度与界面弹模，从而强化应变硬化段的裂纹扩展阻控能力；UFFA体系则凭借更高的界面摩擦系数显著提升纤维拉拔阶段的能量耗散能力，显著改善应变软化阶段的韧性保持性能。最终，USF与UFFA分别于应变硬化与应变软化阶段提供强韧性增益，使UHPFRC实现多微裂纹化破坏模式，显著提升整体弯曲韧性，构建出可定向设计的多尺度韧性增益路径（图2）。研究成果为UHPFRC韧性定向调控提供了理论框架，也为高性能混凝土的材料设计与工程应用提供技术支撑。

三、纳米氧化铝增强碱活化矿渣胶凝材料多尺度微观结构的机理

碱活化矿渣浆（AASP）因其较低的冰点，展现出在寒冷地区原位负温制备的潜力，而纳米材料的引入可促进其在低温下形成致密结构，是提升负温力学性能的关键途径。团队聚焦AASP在20℃至-20℃范围内的原位制备行为与多尺度表征手段，深入揭示了纳米氧化铝（NA）在负温下的改性机制。研究成果以“Unraveling the multiscale enhancement mechanism of nano-Al₂O₃ on subzero-prepared alkali-activated slag paste”为题发表在《水泥混凝土复合材料》（Cement & Concrete Composites）。第一作者为博士研究生许劲，通讯作者为蒋正武教授。

团队研究发现，温度降低显著削弱抗压强度，源于C-A-S-H生成量减少、缩聚度下降、孔结构劣化及碳化加剧。随着反应温度降低C-A-S-H缩聚度逐渐下降，而铝相在低温条件下更易融入链状结构。NA通过成核效应促进火山灰反应，从而加速C-A-S-H的缩聚过程，同时有效包裹原料颗粒并防止其进一步溶解（图3）。研究成果系统阐明了负温下AASP性能劣化机理与NA多尺度增强路径，构建了反应过程模型，为寒区低碳胶凝材料的工程应用提供了关键理论支撑与技术依据。

图3 AASP原位制备反应过程及负温下添加NA后的反应模型