前言轻质骨料混凝土（LWAC）具有显著的优点。它不仅拥有良好的保温性能和耐火性能，而且其自身重量较轻，能够节省许多加固材料的成本。
基于这些优点，LWAC在多个领域都有广泛的应用潜力。例如，可以用于制造轻质桥梁面板，还可以用于制造轻质泡沫混凝土，用于一些特殊的建筑需求。
尽管轻质骨料混凝土（LWAC）在许多领域都有潜在的广阔应用前景，但由于轻质骨料的强度和刚度较低，所以仍存在一些问题。这限制了LWAC在实际应用中的广泛使用。
虽然已有研究表明，纳米材料的添加，对LWAC的力学性能增强有积极作用。
但由于纳米颗粒的成本相对较高，这在很大程度上限制了其在民用基础设施中的广泛应用。
因此，为了实现低成本效益的制备，有必要找出一种价格相对低廉的纳米材料，来对LWAC进行修饰。
据我们所知，只有有限的研究探讨了纳米修饰，对轻质骨料混凝土（LWAC）的影响，尤其是在低剂量添加纳米颗粒的情况下。
基于这一认识，我们需要找到一种有效的方法，能够在力学性能和生产成本之间找到平衡，从而制备高性能的LWAC。
经过我们反复研究，纳米二氧化硅（SiO2）或许是一个很好的选择。
实验和分析1.抗压、抗弯强度变化
下图显示了非预湿轻质骨料混凝土（LWAC）样品，在7天和28天养护后，随着纳米SiO2用量的变化而变化的抗压强度和抗弯强度。
如图(a)和(b)所示，抗压强度和抗弯强度并未随着纳米材料用量的增加而线性增加。
当纳米SiO2用量为0.05 wt%时，7天抗压强度约为24.5 MPa，与对照样品（25.2 MPa）相比并没有明显增加。
同样，抗弯强度为3.5 MPa，与对照样品（3.3 MPa）几乎相同。7天抗压强度和抗弯强度的峰值均出现在0.1 wt%的纳米SiO2添加量。
与对照样品相比，7天抗压强度和抗弯强度分别达到34.8 MPa和3.9 MPa，分别增加了40%和18%。
随着纳米SiO2的用量增加，7天抗压强度和抗弯强度在0.2 wt%和0.5 wt%时波动，并最终在添加1 wt%的纳米SiO2时出现下降。
使用0.2 wt%的纳米SiO2时，7天抗压强度和抗弯强度分别为31.3 MPa和3.5 MPa，分别比对照样品增加了24%和6%。然而，与0.1 wt%用量相比，这两个数值都下降了约11%。
当用量增加到0.5 wt%时，7天抗压强度和抗弯强度再次略有增加，分别达到32.4 MPa和3.6 MPa。
然而，当用量达到1 wt%时，7天抗压强度和抗弯强度降低到23.3 MPa和3.4 MPa，与对照样品的数值几乎相同。
与经过7天固化后的性能相比，经过28天固化后的抗压强度和抗弯强度显示出类似的变化趋势。与7天性能一样，机械性能在纳米SiO2用量增加时并非呈线性增加。
当用量增加到0.05 wt%时，抗压强度和抗弯强度分别为30 MPa和4.5 MPa，与对照样品几乎相同。
在0.2 wt%的用量下，抗压强度和抗弯强度达到最高值，分别为35 MPa和5.9 MPa。当用量增加到1 wt%时，28天抗压强度和抗弯强度分别降低至26 MPa和3.9 MPa。
下图展示了经预浸泡处理的LWAC样品，在经过7天和28天固化后，随着纳米SiO2用量的变化，抗压强度和抗弯强度的情况。
从该图可见，7天抗压强度和抗弯强度的变化趋势与未预浸泡样品相同。随着纳米SiO2用量增加，抗压强度和抗弯强度并不呈线性增强。
在0.05 wt%的纳米SiO2用量下，7天抗压强度约为23.1 MPa，与对照样品（25.2 MPa）相近。抗弯强度为3.0 MPa，与对照样品（2.9 MPa）相同。
在0.1 wt%的用量下，7天抗压强度和抗弯强度均达到最高值。与对照样品相比，7天抗压强度和抗弯强度分别增至35.7 MPa和4.1 MPa，增幅分别为40%和41%。
随着纳米SiO2用量的增加，0.2 wt%和0.5 wt%时的7天抗压强度和抗弯强度变化趋势与未预浸泡样品相似。
在这个范围内也出现了波动，并在1 wt%时显著下降。0.2 wt%的用量下，7天抗压强度和抗弯强度分别为31.5 MPa和3.6 MPa。
与对照样品相比分别增加了约24%，但与0.1 wt%用量相比，两者都减少了约14%。用量增加到0.5 wt%，7天抗压强度和抗弯强度再次增加，分别达到31.4 MPa和3.8 MPa。
而当用量达到1 wt%时，7天抗压强度和抗弯强度分别降低至26.5 MPa和2.8 MPa，与对照样品的数值近似相同。
对于预浸泡的轻质骨料混凝土样品，下图展示了28天抗压强度和抗弯强度随纳米SiO2用量的变化。
如图(a)所示，对照样品的平均抗压强度约为26.8 MPa，而随着纳米SiO2用量增加到0.05%和0.1%，抗压强度分别增加到30.3 MPa和37.3 MPa。
随后，随着纳米SiO2用量增加到0.2%，抗压强度降低至34.8 MPa，并且当用量增加到0.5%时保持这个数值。随着纳米SiO2用量增加到1.0%，抗压强度降低到31.2 MPa。同样地，抗弯强度也随着纳米SiO2用量的增加而波动。
对照样品的抗弯强度约为3.7 MPa，而经过纳米改性后，抗弯强度分别增加到约4.4 MPa和5.1 MPa，与0.05%和0.1%用量相对应，并且当用量达到0.5%时保持近似相同数值。当纳米SiO2用量达到1.0%时，抗弯强度降低至4.1 MPa。
2.断裂面分析
下图显示了轻质骨料混凝土的断裂面的电子显微镜形貌，包括添加或不添加纳米改性的情况。
从该图中可以看出，未添加纳米改性的样品界面非常平滑，很少观察到纤维形状的水化产物。
对于低剂量纳米改性的样品，可以检测到小尺寸的水化产物，而对于相对较高的剂量，则可以在轻质骨料和水泥糊浆界面区域，观察到大量的纤维形状水化产物。
高倍扫描电子显微镜图像（图(d)）清楚地显示了大量纤维形状的水化产物在该区域生长。这种现象与先前的研究结果相符，证实了纳米改性过程和改性机制在先前的报告中的作用。
尽管一些研究人员已经通过透射电子显微镜（TEM）调查了水泥水化产物的微观结构，但据我们所知，极少有研究通过TEM分析显示了使用纳米材料改性后，水泥水化产物的化学组成和晶体学。
与SEM结果相对应，图(a)和(b)展示了纳米改性水泥中，纤维状水化产物相的TEM图像及其相应的选择区电子衍射（SAED）图案。
从图(a)可以看出，针状水化产物的直径在50到100纳米之间，并且SAED图案显示出典型的非晶态衍射环。
图(c)和(d)显示了未经纳米改性的典型硅酸钙水化物（C–S–H）相的TEM图像及其相应的SAED图案。
从图(c)和(d)可以看出，在未经纳米改性的情况下，C–S–H相由孔隙和尺寸从几纳米到数十纳米不等的非晶态固相组成。
能量色散X射线光谱（EDS）结果显示在图(e)和(f)中，分别对应于图(a)和(c)的TEM图像。从中可以看出，纤维状相的化学成分属于经过纳米改性的试样，主要包含Si、Ca和大量的Al，而未经纳米改性的试样主要含有Si和Ca。
从EDS结果可以得出，这种纤维状水化产物与榜石不同，因为榜石是一种化学组成为3CaO•Al2O3•3CaSO4•32H2O的晶体。
这意味着在TEM图像的SAED图案中应该检测不到太多Si，并且应该观察到榜石晶体的明显衍射斑点。然而，在这个TEM结果中，这两个条件都没有被满足。
之前的研究认为纳米改性对胶凝材料的机制可以分为三类。纳米颗粒可以作为晶核改变C-S-H相的微观结构；它们有助于产生更密实的C-S-H相；
良好分散的纳米颗粒可以填充水泥糊中的纳米孔隙，从而阻止侵蚀性元素的渗透。通过与机械测试结果相结合，可以认为纳米SiO2改性的机制主要是由于原位生成的水化产物。
纤维状的水化产物将充当加固相，可以桥接水泥糊中的微裂缝（如图所示），从而增加强度并降低混凝土中侵蚀性物质的渗透性。
结论我们的研究表明，通过添加低剂量的纳米SiO2，可以显著增强轻质骨料混凝土（LWAC）的力学性能。
当纳米SiO2的添加剂量达到0.1 wt%时，达到了最佳改性效果，这意味着只需很少的纳米SiO2即可实现显著的性能改善。
参考文献Bentur A, Igarashi S-I, Kovler K. 使用湿润轻骨料进行内部养护防止高强度混凝土的自收缩。《水泥与混凝土研究》，2001年，31(11)：1587–1591。
Ferrara L, Caverzan A, Peled A. “可折叠”轻骨料混凝土。第一部分：材料概念和在静态加载下的初步特性评估。《材料与结构》，2016年，49(5)：1733–1745。
Ferrara L, Caverzan A, Nahum L, 等. “可折叠”轻骨料混凝土。第二部分：在静态和动态加载下的特性评估。《材料与结构》，2016年，49(5)：1747–1760。
Ünal O, Uygunoğlu T, Yildiz A. 用于隔热的低强度轻骨料混凝土的性能研究。《建筑与环境》，2007年，42(2)：584–590。
Ferrara L, Cortesi L, Ligabue O. 预浸润轻骨料混凝土的内部养护：初步研究。《美国混凝土学会特刊》，2015年，305页：12.1–12.12。
