本文将为您分享同济大学蒋正武教授可持续混凝土研究团队近日于Construction
and Building Materials杂志（2019-2020最新IF=4.419，JCR一区，Top期刊）发表的最新研究成果The
effect of Ca2+ concentrations on the characteristics of Mg(OH)2-based
building materials prepared in situ by electrodeposition。本文第一作者为同济大学李斌博士，通讯作者为同济大学蒋正武教授，第三作者为同济大学周淦硕士，第四作者为同济大学陈庆副教授；本文通讯单位为同济大学。
结垢现象广泛存在于工业生产设备及输水管道中，设备及管道内壁上顽固的水垢不仅降低了运输及生产效率，更是增加了运营及维修成本。但从材料角度讲，水垢生长速率较快、力学性能优良，具备发展成为一种建筑材料的潜质。同时，电化学沉积方法控制精准、稳定，是实现这种材料快速、有序生长的最佳手段。上世纪70年代，Hilbertz首次提出了“Seacrete”的概念，即采用电化学沉积在海水中原位制备一种以Mg(OH)2为主体的新型材料，并基于海洋试验探究了不同参数条件下制备构件的可行性。值得注意，Mg2+及Ca2+是该材料在阴极表面生长的关键。因此，除了海洋环境，在任何含有Mg2+及Ca2+的水环境中均有可能制备出此种Mg(OH)2基电沉积材料。探究Mg2+或Ca2+浓度对Mg(OH)2基电沉积材料制备过程及材料基本性能的影响，对于水环境下电沉积建筑材料的发展具有重要意义。
Fig. 1 电化学沉积试验装置示意图
本文主要探究固定Mg2+浓度条件下，Ca2+对Mg(OH)2基电沉积材料制备可行性及材料基本性能的影响。基于沉积物质量、沉积层厚度及表观密度对沉积物生长速率进行初步评价，并采用XRD及SEM对沉积物中的主要矿物组成及晶体形貌进行表征，确立了不同Ca2+浓度条件下的电化学反应过程；基于BET数据分析了沉积层孔径分布特征，分析了物相组成与孔径演变间的关系；结合沉积物断层背散射照片及晶体形貌，探究了各关键组分晶体的分布特性。
Fig. 2 不同Ca2+浓度条件下电沉积材料照片（Control：无Ca2+；A：c(Ca2+) = 0.0056 mol/L；B：c(Ca2+)
= 0.0071 mol/L；C：c(Ca2+) = 0.01 mol/L；D：c(Ca2+)
= 0.0167 mol/L；E：c(Ca2+) = 0.05 mol/L；）
结果表明，当Ca2+在0-0.05 mol/L范围内变化时，电沉积制备Mg(OH)2基材料均具有一定可行性。沉积物以水镁石（Mg(OH)2）物相为主，且沉积层中孔隙主要为层状Mg(OH)2晶体堆叠形成的狭缝孔。其中，当c(Ca2+)
≤ 0.0167 mol/L，沉积物中含钙物相为方解石与文石（CaCO3），且对沉积层质量、厚度具有积极作用。同时，随着c(Ca2+)逐步增加，沉积物孔隙逐渐降低，这归因于方解石晶体的堆叠、填充作用；而当c(Ca2+)
= 0.05 mol/L，含钙矿物以溶解度较大的Ca(OH)2物相为主，会引起沉积物孔隙率增加以及沉积层的局部剥落。综合考虑，最佳c(Mg2+)/c(Ca2+)
= 5，这与真实海洋环境中的镁钙比极为相近。
Fig. 3 各Ca2+浓度条件下所得沉积物的吸附等温线及孔径分布图
此外，结合沉积层断面的背散射照片及物相组成、形貌特征，沉积层由内而外可以划分为三层。其中，I层中仅存在Mg(OH)2晶体；II层中，文石型CaCO3晶体集中分布于Mg(OH)2基体中，且晶体尺寸接近100
μm；III层中，方解石型CaCO3晶体零散分布于Mg(OH)2基体中。当c(Mg2+)/c(Ca2+)
= 5时，I层厚度˂ 10 μm，II层厚度约为100 μm。CaCO3晶体的上述分布特征主要取决于阴极表面区域内：1)
Mg2+、Ca2+及CO32-浓度分布；2) pH值范围；3）
c(Ca2+)/c(CO32-)比值。
Fig. 4 c(Mg2+)/c(Ca2+) = 5条件下所得沉积物断层背散照片
https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.121523
本项研究成果受到国家自然科学基金、国家重点研发计划以及中央高校基础研究基金的资助和经费支持。蒋正武教授可持续混凝土团队多年来一直致力于绿色高性能混凝土可持续化理论与方法的研究主线，近5年累计以第一作者/通讯作者在Advanced
Materials, CCR, CCC, CBM等期刊发表SCI论文50余篇。
目前本论文已在线发表在Elsevier出版集团Construction
and Building Materials杂志，欢迎大家下载浏览。
