文献精读
Constr. Build. Mater. ：不同活性氧化镁制备的水滑石的表征及在盐湖卤水中混凝土抗氯离子侵蚀
背景介绍
数千个盐湖广泛分布于中国西部和西北部。暴露在这些严酷的卤水（高盐度）环境中的混凝土会受到恶劣条件的影响——例如干湿循环、冻融和高离子浓度条件，进而破坏材料的耐用性，使得结构的安全性无法保证，大幅降低混凝土结构的使用寿命，使其服役时间缩短至不到五年。
研究出发点
近年来，层状双金属氢氧化物（LDHs）由于其独特的结构在催化、吸附和离子交换等领域引起了广泛的研究兴趣。水泥浆中形成的AFm相已被表征为一种 LDHs。LDHs也可以通过使用活性煤矸石、白云石、高炉矿渣和碱活化膏体等外加剂在水泥中生产。这些外加剂可以增强水泥混凝土抵抗氯离子、硫酸盐和碳化降解作用的能力。利用水滑石减少水泥浆体的腐蚀性离子降解是一个重要的热门研究课题。向超高性能混凝土中添加煅烧LDHs可显著提高混凝土的耐海水腐蚀性。卤水区域的腐蚀性离子浓度通常高于海水中的腐蚀性离子浓度。许多盐通常是饱和或过饱和的，造成的损害比海水腐蚀可能造成的损害更大。
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基于此，西安建筑科技大学材料科学与工程学院宋强研究团队研究了由具有不同活性的氧化镁制备的LDHs的性质，以表征所得材料的用途。此外，还研究了由死烧MgO形成的LDHs高性能混凝土抗盐卤腐蚀的机理；本研究有助于了解熟料中引入的氧化镁对混凝土防腐性能的影响。相关论文以“Characterization of LDHs prepared with different activity MgO and resisting Cl- attack of concrete in salt lake brine”为题，于2019年发表在《Construction and Building Materials》上。
图文解析
（1）MgO活性
图1 不同温度下煅烧MgO的XRD图谱
表1 在不同温度/nm下煅烧的MgO晶粒尺寸
图2 不同温度下煅烧氧化镁的反应性值
图1展示了不同温度下煅烧的MgO的XRD谱。表1列出了根据 Scherrer 公式计算的MgO晶粒尺寸。图1表明随着晶粒尺寸从21.39 nm增加到38.06 nm，MgO煅烧时间越长，MgO衍射峰越高越窄。在不同温度下煅烧的MgO中和柠檬酸所需的时间如图2所示。通常，煅烧温度越高，活性越低。当比较在1300℃和1450℃温度下预处理的样品时，活性降低尤为显着。在900、1050、1300和1450°C下煅烧的MgO的计算晶格畸变分别为0.26、0.24、0.23和0.20%。随着煅烧预处理温度的升高，晶格畸变略有下降；晶格畸变和晶粒生长的减少导致MgO活性的降低。随着煅烧温度的升高，扩散和传质作用增强，晶体缺陷不断减少，小颗粒消失，大颗粒形成，导致MgO活性降低。
（2）合成水滑石的XRD分析
图3 80℃水浴中固化下用MgO制备的Mg-Al LDHs样品的XRD图谱
图4 不同温度固化28d的M14合成的Mg-AlLDHs的XRD图谱
图5 不同温度固化28d的M13合成Mg-Al LDHs的XRD图谱
图3中显示了在不同煅烧温度下用MgO制备并在80℃水浴中固化的Mg-Al LDHs（Mg4Al2（OH）14·3H2O，JCPDSICDD No.35–0964）样品的XRD图谱。由M9、M10、M13、M14和铝土矿混合的浆料在80℃水浴中固化28天后水合为Mg（OH）2和LDHs。M9浆料中的LDHs具有最高的衍射峰，而M14中的LDH具有最低的衍射峰。纳米Fe2O3颗粒不仅作为填料，而且作为活性成分，增强火山灰的火山灰作用，从而制备纳米结构复合材料基体。在四种温度下煅烧的MgO制备的浆料中Mg（OH）2的含量彼此相似。
图4描绘了在不同温度下固化28 d的M14浆料的XRD图案。值得注意的是，在20℃和50℃下固化的样品中仍有少量方镁石残留；还形成了大量的Mg（OH）2和少量的LDHs。在80℃固化的浆料中产生更多的LDHs，方镁石几乎耗尽，Mg（OH）2含量显著低于在20℃或50℃固化的浆料；这是由于Mg（OH）2在80°C下作为方镁石水合反应物生成LDHs。固化温度达到80°C后，LDHs的生成速率迅速增加。在20°C、50°C和80°C下固化的M13浆料中没有残留方镁石（图5）。与M14相比，M13中方镁石的较高活性导致其在20℃固化28天后完全水化。与下表中的结果相比。由M13和M14在20℃固化形成的LDHs的衍射峰具有相似的高度。此外，由M13制备并在50℃和80℃下固化的LDHs的衍射峰显著高于由M14制备的LDHs。
（3）合成水滑石的DTG和DSC分析
图6 80℃固化的M14合成的LDHs的DTG和DSC曲线
M14和煅烧铝土矿混合物的导数热重分析（DTG）和差示扫描量热分析（DSC）曲线（图6）表明，第一个失重谷和吸热谷出现在200–250°C的范围内，表示去除反应产物LDHs的物理吸附水和层间水分子。第二次失重和350–450℃的吸热谷对应于Mg（OH）2的吸热脱氢。第三个失重和530℃左右的吸热谷对应于纯薄水铝石（AlOOH）脱羟基。在200–250℃下固化3天的样品的重量损失明显小于固化14和28天的样品；这表明LDHs含量随时间增加，并且样品中的物理吸附水和层间水逐渐增加。400℃附近的重量损失随固化时间逐渐减少，表明在80℃水浴固化3d后形成的Mg（OH）2逐渐与AlOOH反应生成LDHs，导致530℃左右纯勃姆石的损失随固化时间逐渐减少。
（4）合成水滑石的DTG和DSC分析
图7 不同LDHs用量混凝土的抗压强度
图8 混凝土氯离子扩散系数与水滑石含量的关系
0%LDHs混凝土的强度为80MPa。在1%达到峰值后，混凝土强度随着LDHs含量的增加而降低（图7）。尽管暴露在盐水环境中的混凝土强度有不同程度的退化，但含有1%LDHs的样品的强度仍然显示出最大的强度。水滑石含量为2-3%的混凝土试样在浸泡前后的强度几乎保持不变。图8显示了氯离子扩散系数与混凝土LDHs含量之间的关系。随着LDHs含量的增加，氯离子扩散系数显著降低，其中2%LDHs样品的氯离子扩散系数最低。这是由于理想LDHs含量存在时，孔结构倾向于细化，孔连接性降低，从而降低氯离子的渗透性。然而，当LDHs的数量进一步增加超过理想值时，渗透孔隙率增加，导致混凝土中氯离子的扩散和迁移速率增加。添加3%LDHs的混凝土比添加2%LDHs的混凝土具有更高的氯离子扩散系数。
总结
1） 使用900、1150、1300和1450℃煅烧的氧化镁和焙烧铝土矿，在20、50和80℃下制备LDHs，随着MgO煅烧温度的升高，晶粒尺寸增大，活性降低。
2） 固化温度对使用死烧氧化镁和焙烧铝土矿制备的LDHs的形成速率有显著影响。80℃水浴固化的LDHs生成速率明显高于50℃水浴固化的LDHs生成速率。
3）低温煅烧MgO具有更高的活性和更快的LDHs生成速率。固化温度越高，LDHs形成速度越快。在水浴固化的前28天，所有样品都含有一些Mg（OH）2，这表明形成LDHs的反应受铝土矿-MgO-水系统中铝土矿的活性控制。LDHs的形成伴随着一定程度的碳化，碳化程度随着固化时间的增加和温度的升高而增加。
4） LDHs能吸附水泥混凝土中的氯离子和碳酸盐离子。添加2%左右的LDHs可使氯离子扩散系数降低30%左右。
文献链接：
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.116921
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