甘氨酸燃烧法合成纳米贝利特水泥：NaCl/Na2SO4环境下的耐腐蚀性能及基于MLP-MPA的数据驱动建模

《Results in Engineering》：Synthesis of Nano-Belite Cement by Glycine Combustion: Corrosion Resistance in NaCl/Na 2SO 4 Environments and Data Driven-Modeling via MLP-MPA

　　

研究人员通过甘氨酸辅助溶液燃烧技术合成了纳米贝利特（belite，Ca2SiO4）水泥，并分析了其在氯化钠（NaCl）与硫酸钠（Na2SO4）侵蚀下对混凝土电阻率的影响。纳米贝利特以纳米二氧化硅、硝酸钙及甘氨酸为原料，X射线衍射（XRD）分析确定甘氨酸用量3.128 g、煅烧温度1100°C为制备高纯贝利特的最优参数。研究人员将0–20%不同贝利特掺量及5% NaCl或Na2SO4外加剂加入混凝土试件，于28、90、180 d龄期测试电阻率。结果表明，无外加剂及Na2SO4改性体系中掺10%贝利特者180 d电阻率最高，达192.98 Ω·m；NaCl侵蚀体系最优掺量为2.5%，180 d电阻率为136.17 Ω·m。研究人员进一步建立多层感知机（MLP）神经网络模型（R2=0.98），并用海洋捕食者算法（MPA）优化，预测NaCl/Na2SO4共同侵蚀下最佳贝利特掺量为7.70%，90 d电阻率131.15 Ω·m。研究揭示了贝利特掺量、化学外加剂与混凝土耐久性的关键关系：硫酸钠通过促进水化与孔隙细化提升贝利特对电阻率的贡献，氯离子则在较高贝利特掺量下削弱性能。机器学习与生物启发优化相结合推进了材料设计预测建模，为长期耐久工程提供框架。

研究背景方面，普通硅酸盐水泥（OPC）生产占全球人为CO₂排放5–7%且消耗大量非可再生原料，高贝利特（belite-rich）水泥因煅烧温度（1200–1350°C）低于阿利特（alite）熟料（约1450°C）具备低碳优势，但宏观结晶贝利特水化动力学缓慢、早期强度低制约其应用。为突破热力学动力学障碍，研究人员聚焦化学合成路径（溶胶-凝胶、水热、溶液燃烧合成），其中纳米化可增大比表面积并稳定β-C₂S与α′-C₂S高活性高温多晶型，加速钙硅酸盐水化产物（C-S-H）沉淀、细化毛细孔网络。已有研究证实纳米二氧化硅等添加剂可改善堆积、降低化学收缩并抑制流体侵入，但甘氨酸辅助燃烧中燃料-氧化剂比与烧结制度对相纯度和多晶型稳定的机制、纳米贝利特在NaCl/Na₂SO₄耦合侵蚀下对水化-孔分布-电化学传输的联合影响仍缺乏系统映射，传统经验公式难以解析改性胶凝体系的多尺度耦合关系。该研究发表于《Results in Engineering》，旨在建立受控燃烧合成高纯纳米贝利特的路径，并量化其在复合盐蚀下的电化学传输与退化机制。

关键技术方法上，研究人员采用甘氨酸-硝酸盐溶液燃烧合成（SCS）路线制备纳米贝利特，以硝酸钙、纳米SiO₂、甘氨酸为前驱体，经XRD（Rietveld精修）与热分析锁定3.128 g甘氨酸、1100°C煅烧的最优参数；将0–20%贝利特替代水泥置入混凝土试件，分别引入5% NaCl或Na₂SO₄，在28/90/180 d测试体积电阻率以反映孔连通性与离子扩散性；同时构建多层感知机（MLP）回归模型（R2=0.98），嵌入海洋捕食者算法（MPA，基于布朗与莱维觅食策略平衡全局探索与局部开发）进行超参数寻优，实现掺量-龄期-侵蚀离子-电阻率的非线性映射。

研究结果部分，摘要指出：无外加剂及Na₂SO₄体系中10%贝利特掺量于180 d达192.98 Ω·m峰值电阻率，NaCl体系最优为2.5%掺量（180 d，136.17 Ω·m）；MLP-MPA反演得NaCl/Na₂SO₄共存下7.70%为最优掺量，90 d电阻率131.15 Ω·m。引言（1. Introduction）阐明OPC碳足迹驱动低钙贝利特 binder 转型，纳米化克服慢水化壁垒，电阻率作为无损指标与氯离子扩散及钢筋锈蚀直接相关，现有文献缺口在于甘氨酸燃烧相变动力学与复合盐蚀电化学行为未打通。1.1节（Aims and scope）确立两目标：受控燃烧制相纯纳米贝利特、表征复合NaCl/Na₂SO₄下电化学传输与退化。2.1节（Preliminary Synthesis Optimization and Experimental Design）描述SCS路线与因素水平设计，以XRD Rietveld精修判定相纯度、以电阻率试验关联孔结构演化。

讨论与结论翻译：研究表明贝利特掺量、化学外加剂与混凝土耐久性之间存在关键关系；硫酸钠通过促进水化与孔隙结构细化增强了贝利特对电阻率的贡献，而氯离子暴露则在较高贝利特掺量下降低性能。MLP-MPA框架识别出复合盐蚀下7.70%贝利特掺量为电阻率最优组成（90 d，131.15 Ω·m），证实数据驱动建模可替代试错配比。该工作将甘氨酸燃烧合成、无损电阻率评估与生物启发算法耦合，为海洋/工业腐蚀环境下低钙胶凝材料的设计提供预测边界与配比准则，推动机器学习辅助胶凝材料耐久设计的方法论发展。