《Journal of Building Engineering》：Binder-Aggregate Mechanisms in Multifunctional Cementitious Systems: From Gel Chemistry to Electrochemical Behavior
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1. 多功能水泥基材料的研究系统探讨了不同胶凝材料（包括普通硅酸盐水泥、氧化镁-硅灰、矿渣碱激发体和地聚物）与导电骨料（铜渣、磁铁矿、赤铁矿）的耦合效应，通过电导率、介电响应、电化学阻抗谱、循环伏安法等综合实验方法，揭示了离子传导、界面极化及多孔结构对电气性能和热-力耦合行为的影响机制，为低碳可持续建材开发提供了理论框架。
Nabodyuti Das|Koh Jing|En-Hua Yang
南洋理工大学土木与环境工程学院，新加坡南洋大道50号
摘要：
多功能水泥基材料的发展需要从机理上理解粘结剂化学性质和骨料选择如何共同影响其电学、电化学、热学和力学性能。本研究系统地研究了普通波特兰水泥以及可持续粘结剂（包括MgO-硅灰、碱激活的GGBS以及基于粉煤灰和偏高岭土的地聚合物），并探讨了添加铜渣、磁铁矿和赤铁矿等导电骨料对这些性能的影响。研究采用了多种技术方法，包括电导率测量、介电响应分析、电化学阻抗谱、循环伏安法、热导率测试以及微观结构分析。结果表明，基于偏高岭土的地聚合物体系具有最高的电导率和最低的阻抗，表明其电荷传输能力更强；而普通波特兰水泥和MgO基体系则表现出较低的导电性。碱激活的矿渣体系表现出中等但受成分显著影响的电导率特性，这主要受活化剂化学性质和孔隙结构的影响。在导电骨料中，磁铁矿通常能显著提高电导率并降低阻抗，而铜渣则能改善某些混合物的电荷储存性能。总体而言，这些研究结果揭示了低碳水泥基材料的多功能性是由粘结剂凝胶化学性质、孔隙结构、离子传导、界面极化以及离子-电子复合传输机制共同决定的，为设计适用于多种多功能应用的水泥基材料提供了理论框架。
引言
随着民用基础设施的发展，对材料的要求不再仅仅是传统的强度和耐久性。现代材料需要具备高性能、多功能性和可持续性，不仅作为结构构件，还需在除冰[1]、电气接地[2]、电磁屏蔽[3]、结构健康监测[4]和能量收集[5]等应用中发挥积极作用。所谓多功能水泥基材料，是指那些同时具备可控电导率、介电极化、热传导和电化学活性的承重建筑材料，且这些性能不会影响其力学完整性。对于除冰、电磁屏蔽、自感知和能量收集等应用而言，电导率和介电响应是关键材料属性。电导率决定了电荷传输和焦耳热效率，而介电性质则控制着极化过程、场与材料的相互作用以及电荷积累，这些对于传感、屏蔽和电容储能至关重要。因此，多功能性本质上是电学、电化学、热学和力学行为的耦合结果，而不仅仅是单一材料属性的表现。
电化学技术在评估多功能水泥基材料方面日益重要，因为它能够区分复杂异质材料中的传输过程、界面现象和电荷储存行为。其中，电化学阻抗谱（EIS）被广泛用于研究增强型和普通型水泥基材料中的离子传导和界面反应。EIS能够分析频率依赖性的体电阻、界面电荷转移或极化效应以及扩散相关现象，从而提取特征响应频率（如转折点）并拟合等效电路参数。循环伏安法（CV）则提供了对电荷储存能力和电活性界面行为的补充分析，有助于识别与多功能性能相关的电容性和法拉第效应。先前的研究表明，这些方法非常适合用于水泥基材料的研究。Ribeiro和Abrantes[7]展示了EIS在区分异质水泥基材料中重叠过程的能力，Wei等人[8]通过不同的电荷转移和质量转移阶段追踪了氯离子侵蚀钢筋的过程。Hu等人[9]将EIS参数（如电荷转移电阻）与水化动力学联系起来，发现其与工作性和微观结构精细化之间存在相关性。Foulkes和McGrath[10]开发了一种快速CV方法来确定腐蚀阈值和抑制剂效果，Chanut等人[11]利用CV量化了碳水泥复合材料的电容性能，揭示了其中存在的分形导电网络。这些进展凸显了EIS和CV在表征水泥基材料方面的多功能性。
热传导是多功能性的另一个关键方面。热导率影响电加热过程中的热量散发、建筑物的能源效率以及与热电或能量收集技术的结合。骨料类型、密度和孔隙结构对热性能有显著影响，尤其是在碱激活和地聚合物粘结剂中。尽管地聚合物通常具有较低的热导率和半导体特性[12],[13],[14]，但不同粘结剂化学性质和骨料改性的系统比较仍较为有限，限制了人们对热学、电学和力学性能之间权衡的理解。
水泥生产是全球二氧化碳排放的重要来源，约占总二氧化碳排放量的5-7%[15]。为了减少这一影响，碱激活和地聚合物体系作为OPC的低碳替代品备受关注。基于矿渣的地聚合物混凝土相比OPC可减少约37%的二氧化碳排放，而使用部分地聚合物粘结剂的混凝土在同等强度等级下可降低高达65%的排放[16]。此外，Alsalman等人[17]指出，生产40 MPa强度的碱激活混凝土所需的能量仅为OPC的46%，进一步体现了其可持续性潜力。地聚合物混凝土还具有更高的防火性能、更快的早期强度和更好的化学稳定性，这些特性源于其N-A-S-H凝胶网络[18]。该凝胶的结构及其性能受Si/Al比例、水灰比和固化条件等因素的影响[19]。这些因素的变化会改变孔隙大小分布和离子迁移性；例如，致密的纳米孔结构会限制水分去除和离子移动，而更开放的凝胶结构则有利于提高电导率和介电响应[20]。这些关系也表明了微观结构在控制耐久性和电化学行为方面的双重作用[21]。Zheng等人[18]发现，在基于偏高岭土的地聚合物中，较低的水灰比（0.51）会产生更细的纳米孔结构，从而更有效地保持水分；在高温下，这些受限的水分会增强残余孔溶液中的离子迁移性，从而降低整体阻抗。最近，镁硅酸盐水合物（M-S-H）水泥基体系也受到了关注。这类粘结剂通过将MgO粉末与活性硅源（如硅灰SF）结合制备，通过水化反应生成勃石（Mg(OH)?）和M-S-H凝胶作为主要粘结相[22]。由于其低pH值的基质特性，M-S-H体系特别适用于废物封装和核废料储存等应用[23]。
除了替代粘结剂外，其他脱碳途径（如混凝土中的碳封存和储存[24]、利用碳酸化技术改进再生骨料[25]以及采用电化学方法生产更环保的水泥[26]也受到了越来越多的关注。这些进展表明，低碳水泥和混凝土的研究正通过多种互补策略取得进展，包括减少熟料使用、利用再生资源、碳捕获和替代加工路线。然而，尽管取得了这些进展，大多数现有研究仍主要集中在环境、力学和耐久性性能上，而对低碳水泥基材料的电学、热学和电化学特性了解不足。这些特性对多功能应用的可行性至关重要，且受粘结剂化学性质、孔隙结构和组分相互作用的影响显著。
富含铁的骨料正被越来越多地用于结合结构性能和多功能性。研究表明，磁铁矿能够增强微波吸收、介电损耗和抗压强度，从而拓展了应用范围。添加钢纤维的磁铁矿-石墨混凝土实现了高达36 dB的电磁脉冲屏蔽效果[3]。当使用赤铁矿或铁渣替代磁铁矿时，基于磁铁矿的混凝土还能改善γ衰减性能[27]和在137Cs及60Co辐射下的屏蔽效果[28]。此外，铜渣在导电水泥基复合材料中表现出良好的导电性和力学性能[29]。赤铁矿的加入还被证明能提高超高性能混凝土的辐射抗性、抗冲击性能和孔隙精细化程度[30]。类似地，磁铁矿骨料还能增强电磁响应、介电损耗和微波加热效率，使其适用于微波除冰等应用[31]。最近的研究表明，富含铁的骨料能显著提高导电性、介电响应和阻抗特性，并通过适当的基体和纤维设计实现平衡的机电性能[6]。然而，这些研究主要集中在基于OPC的体系上。总体而言，这些研究表明富含铁的骨料不仅能影响导电性和屏蔽性能，还能影响更广泛的传输相关和电化学性质。尽管如此，它们在碱激活和其他可持续粘结剂体系中的应用仍十分有限。与其他填料相比，富含铁的骨料的研究还不够充分[32]，因此需要利用先进的电学和电化学技术进行系统研究。更重要的是，目前尚未系统探讨低碳粘结剂化学性质与导电骨料类型之间的相互作用，从而缺乏对这些组合如何影响导电性、介电响应、阻抗行为、热传导和电荷储存能力的比较理解。
研究意义
尽管人们对多功能水泥基材料的兴趣日益增加，但目前文献中仍存在几个关键空白：(a) 尚缺乏系统性的比较研究，评估不同粘结剂体系（普通波特兰水泥OPC、MgO-硅灰M、碱激活的GGBS AG以及含有粉煤灰AF和偏高岭土AMK的体系）的电学和电化学性能。(b) 在碱激活/地聚合物体系中，
材料
本研究使用的粘结剂包括普通波特兰水泥（OPC，CEM I 42.5等级，Engro有限公司，新加坡）、氧化镁（MgO，辽宁金属矿业有限公司，中国）、磨细的高炉矿渣（GGBS，Engro有限公司，新加坡）、硅灰（SF，Elkem私人有限公司，挪威）、F级粉煤灰（FA，Jaycee公司，印度）和偏高岭土（MK，BASF公司，德国）。对于碱激活/地聚合物混合物，使用了硅酸钠溶液（Na?SiO?：27% SiO?，8% Na?O）。
导电率和介电常数
图3和图4展示了所有粘结体系的频率依赖性电导率和介电常数，提供了它们电学行为的比较概览。在所有混合物中，电学响应均符合水泥/碱激活基体的预期交流行为：(i) 电导率σ(f)随频率增加而增加，反映了离子在孔隙网络中的扩散传输；(ii) 介电常数ε′(f)随频率增加而显著降低。
结论
本研究系统地研究了不同粘结剂体系及其添加富含铁的骨料后的电学、电化学、热学和力学性能。通过多种技术方法（电导率测量、介电响应分析、电化学阻抗谱、循环伏安法、热导率测试和抗压强度测试）结合微观结构分析（FTIR、TGA、MIP），获得了以下机制见解：
•地聚合物（AMK、AF）在导电率和介电常数方面优于OPC、MgO和AG
作者贡献声明
En-Hua Yang：撰写——审稿与编辑、监督、资源协调、项目管理、资金获取、概念构思。Koh Jing：撰写——初稿撰写、方法设计、实验实施、数据分析、数据整理。Nabodyuti Das：撰写——初稿撰写、方法设计、实验实施、数据分析、概念构思
生成式AI声明
在撰写本文过程中，作者使用了ChatGPT来提高文本的可读性和语言表达。使用该工具后，作者对内容进行了必要的审查和编辑，并对发表文章的内容负全责。
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
作者感谢Prof Srinivasan Madhavi（材料科学与工程学院）及其研究助理Dr. Do Minh Phuong在EIS测量方面提供的支持。
