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Case Stud. Constr. Mat. ：Mg基外加剂对碱激发粉煤灰-矿渣砂浆中氯离子扩散的影响

Effects of Mg-based admixtures on chloride diffusion in alkali-activated fly ash-slag mortars

Mg基外加剂对碱激发粉煤灰-矿渣砂浆中氯离子扩散的影响

碱激发材料；氧化镁（MgO）；层状双金属氢氧化物（LDH）；煅烧层状双金属氢氧化物（CLDH）；氯离子扩散

出版年份：2024年

来源：Case Studies in Construction Materials

第一作者：广州地铁设计研究院股份有限公司 张晶潇 博士后/设计师

通讯作者：广州地铁设计研究院股份有限公司 张晶潇 博士后/设计师 & 广州大学风工程与工程振动研究中心 马玉玮 教授 & 同济大学材料科学与工程学院 张祖华 教授

钢筋混凝土在海水、融冰盐等含氯环境中易受氯离子侵蚀，诱发其内部钢筋腐蚀，严重削弱结构耐久性。碱激发材料作为传统硅酸盐水泥（OPC）的替代品，在提升混凝土抗氯离子侵蚀性能方面具有应用潜力。其中，碱激发粉煤灰-矿渣（AAFS）体系在高矿渣掺量下因孔隙结构致密，表现出优异的力学性能和抗氯离子渗透能力。然而，该体系中缺乏层状双金属氢氧化物（LDH）类产物，导致其在海水等低氯浓度环境下氯离子固化性能明显弱于OPC。

层状双金属氢氧化物（LDH）材料具有良好的氯离子物理吸附与化学结合能力。在碱激发高Mg含量矿渣体系中可生成Mg-Al LDH，这为引入Mg基外加剂（如MgO、Mg-Al LDH及其煅烧产物CLDH）来进一步提升AAFS抗氯离子渗透性提供了思路。研究表明，Mg基外加剂在OPC体系中表现出显著效果。

在AAFS体系中，Mg基外加剂的研究相对较少，且多依赖电通量法和快速氯离子迁移法等加速测试，缺乏对其作用机制的系统研究，难以全面反映氯离子固化行为与实际服役性能。因此，亟需通过更贴近实际的扩散试验系统评估Mg基外加剂的改性效果及作用机理。

本文围绕三种Mg基外加剂（MgO、Mg-Al-CO₃ LDH及其煅烧产物CLDH）对AAFS砂浆抗氯离子渗透性能的影响展开研究。具体而言：通过氯离子扩散试验测定不同Mg基外加剂下AAFS砂浆的氯离子浓度剖面及扩散系数（D），并结合抗压强度测试，综合评估其耐久性能提升效果；采用压汞法（MIP）、氮气吸脱附分析和X射线衍射（XRD）等手段，分析改性AAFS砂浆孔结构特征及物相组成，从微观结构层面揭示各类Mg基外加剂提升抗氯离子渗透性能的作用机理。

表1 粉煤灰、矿渣、水泥的化学成分

表2 AAFS和OPC净浆（P）和砂浆（M）配合比

本研究系统探讨了三种Mg基外加剂（MgO、Mg-Al-CO₃ LDH和CLDH）对碱激发粉煤灰-矿渣（AAFS）砂浆中氯离子扩散行为的影响，发现其与材料物理化学特性之间存在密切联系。主要结论如下：

（1）氯离子扩散试验结果表明，相较于OPC对照组，AAFS砂浆展现出更优异的抗氯离子渗透性能。掺入5%三种Mg基外加剂均进一步提升AAFS的抗氯离子渗透性能，其中MgO提升效果最为显著，优于Mg-Al-CO₃ LDH和CLDH。

（2）与OPC相比，AAFS总孔隙率和毛细孔含量更低。掺5% MgO有助于生成更多反应产物，填充毛细孔；而掺5% Mg-Al-CO₃ LDH和CLDH导致AAFS砂浆中气泡含量增加，从而主要影响抗压强度，但对氯离子扩散影响较小。

（3）OPC和AAFS中均检测到Friedel盐（F盐，即Ca-Al LDH）存在。AAFS中掺MgO可促进F盐生成，而非Mg-Al LDH；Mg-Al-CO₃ LDH和CLDH的引入则显著提高了Mg-Al LDH和Ca-Al LDH的整体含量，尤其Mg-Al LDH含量更为明显。

（4）掺入MgO改善了AAFS孔隙结构并提升氯离子固化能力，二者协同作用显著增强其抗氯离子渗透性能。尽管掺入Mg-Al-CO₃ LDH和CLDH会引入更多气泡，从而影响抗压强度，但其氯离子固化性能的提升对抗氯离子渗透性能具有积极影响，其中Mg-Al-CO₃ LDH的改善效果更为显著。

翻译：    

张晶潇      博士后       广州地铁设计研究院

排版：

周江南       硕士生       台州学院

马玉玮       教    授       广州大学