自然启发的低CO2排放高性能分级多孔水泥基建筑材料

编辑推荐：针对传统水泥材料高碳排放、低强度韧性的难题，Jinyang Jiang团队通过水凝胶骨架快速凝胶化与水泥水合物沉积的协同策略，开发出具有分级多孔结构（1-50μm微孔与5-100 nm纳米孔）的LLST材料。该材料密度降低54%，比抗压强度提升145%，断裂能提高1365%，CO2排放减少51%，为建筑行业碳中和提供了创新解决方案。

　　

水泥工业作为全球第三大CO₂排放源，其传统材料面临密度高、脆性大与碳排放高的三重困境。尽管泡沫水泥和冰模板法能实现轻量化，但前者因毫米级大孔导致强度骤降（0.2-10 MPa），后者因各向异性结构产生横向强度衰减300%-500%。自然界中骨小梁、蜂巢等分级多孔结构启示我们：微纳尺度孔道可协同实现轻量化与力学性能提升。中国建筑材料科学研究总院的研究团队通过仿生设计，创新性地将水凝胶快速凝胶化与水泥水合物原位沉积相结合，开发出兼具低密度（0.75 g/cm³）、高比强度（344 (kN/m²)/(kg/m³)）和超高断裂能（4865 KJ/m³）的LLST材料，相关成果发表于《Nature Communications》。

研究采用四大关键技术：1）X射线断层扫描（X-CT）三维重构1-50μm微孔分布；2）压汞法（MIP）与核磁共振（NMR）联用测定5-100 nm纳米孔；3）机器学习力场分子动力学（MLFF-MD）模拟Ca²⁺-羧基配位机制；4）等温量热法追踪水凝胶调控的水泥水化放热曲线。

微结构表征
通过SEM观察到LLST-1在10分钟内形成表面光滑的海绵状水凝胶骨架（图1a），28天后水泥水合物填充微孔形成分级结构（图1c）。X-CT显示孔径主要分布在1-50μm（图2a），MIP证实纳米孔体积比普通水泥高12%-54%（图2b）。这种双尺度孔结构通过应力均匀分散机制，使裂纹扩展路径迂曲化。

力学性能
三点弯曲测试显示LLST抗折强度比参照组提高30%-220%，断裂能提升1365%（图3a）。压缩实验揭示其独特的三阶段塑性失效行为：弹性变形-应力平台-致密化（图3d），归因于微孔变形耗能和纳米孔优先破坏的多级防护机制。分子动力学模拟证实Ca²⁺与羧基形成2.40?强配位键（图5d），界面相互作用能达8.95 kJ/mol（图5b）。

水化动力学
FT-IR显示LLST中O-H键振动峰展宽（图4g-i），表明水凝胶-COO^-与水泥水化Ca²⁺形成增强氢键。QXRD证实水凝胶使AFt（钙矾石）晶体尺寸增大（图4b），水化度提高21%（图4f）。等温量热曲线出现10-20小时右移（图4e），揭示水凝胶的缓释供水特性可降低大体积混凝土早期开裂风险。

该研究通过"水凝胶骨架模板-水泥水合物填充"的仿生策略，首次实现水泥基材料中微纳孔道的精准调控。LLST的碳足迹较传统水泥降低49%，材料利用率提升20%，其性能突破主要源于：1）海绵状分级孔消除应力集中；2）Ca²⁺-羧基化学键增强界面相容性；3）水凝胶缓释供水提升水化均匀度。这项工作不仅为建筑行业碳中和提供了新材料范式，其"多尺度应力分散"设计原则对开发其他高性能复合材料具有普适指导意义。未来研究需解决搅拌工艺引入的>50μm气孔问题，并验证该材料在大型工程中的实际应用效能。