目前，水泥行业的二氧化碳排放量估计占全球总排放量的约8%[1]。为了满足绿色建筑材料的环境要求并缓解水泥生产带来的环境问题，开发低碳水泥替代品已成为建筑业未来发展的必然趋势。碱激活材料是一类通过用碱或碱性化合物激活富含铝硅酸盐的工业固体废弃物而制备的粘合剂。这种碱激活方法不仅实现了工业副产品的增值，还为粘合剂生产提供了绿色和可持续的途径。值得注意的是，与普通波特兰水泥（OPC）相比，碱激活材料可使二氧化碳排放量减少40-80%[2]。此外，一些碱激活材料和复合材料表现出优异的早期机械强度、抗化学侵蚀性和耐冻融性，在恶劣环境中具有更广泛的应用前景[3],[4],[5],[6],[7]。
碱激活材料的反应机制主要表现为解聚-缩合过程。在碱性条件下，铝硅酸盐前体中的Si–O–(Si, Al)键断裂并解聚，随后在溶液中重新缩合，形成凝胶网络[8]。凝胶产品的性质很大程度上取决于前体的类型。对于富含钙的前体（如粒化高炉矿渣），主要反应产物是钙铝硅酸盐水合物（C-A-S-H）凝胶；而对于低钙前体（如粉煤灰），钠铝硅酸盐水合物（N-A-S-H）凝胶是主要反应产物[9]。为了克服单一流体前体制备的碱激活材料可能存在的性能缺陷，越来越多地采用碱激活矿渣/粉煤灰二元体系来更好地满足混凝土的性能要求[10]。在二元碱激活矿渣/粉煤灰体系中，已证实C-A-S-H凝胶和N-A-S-H凝胶共存[11]。这两种凝胶都是通过氧桥连接的硅氧四面体聚合形成的高度无序结构，阳离子占据四面体框架的间隙位置。具体来说，N-A-S-H凝胶的聚合程度高于C-A-S-H凝胶，类似于非晶态沸石结构[9]，而C-A-S-H凝胶通常被认为是一种交联的托贝莫来特结构[12]。先前的研究[13],[14],[15]表明，碱激活材料的耐久性显著受到形成的反应产物类型的影响。
在各种耐久性问题中，由氯离子渗透引起的钢筋腐蚀被认为是导致混凝土结构劣化的主要因素，给社会带来巨大的经济损失和资源浪费[16],[17],[18],[19],[20]。因此，氯离子抗渗透性被认为是评估混凝土耐久性的关键指标。现有研究[21],[22],[23]表明，碱激活混凝土在含氯环境中的耐久性通常优于或可与相同强度等级的OPC混凝土相当。这种优异的性能归因于不同的微观结构机制。在高钙体系中，形成的C-A-S-H凝胶降低了孔隙率，形成了更致密且曲折度更高的孔结构，有效延长了氯离子的扩散路径。而在低钙体系中，生成的N-A-S-H凝胶具有多孔和高比表面积的结构，能够结合更多的氯离子，从而有助于减缓氯离子的持续渗透[24]。Babaee和Castel[25]指出，在碱激活混凝土中，氯离子的传输速率主要取决于基体的孔隙率。矿渣作为第二种前体的加入有助于细化孔结构，从而有效减缓氯离子的传输。Ismail等人[26]观察到，前体组成中粉煤灰含量高的碱激活混凝土对氯侵蚀的抵抗力较差，这归因于水化产物中松散多孔的N-A-S-H凝胶占主导地位，加速了氯离子的渗透。此外，Tennakoon等人[27]发现，在碱激活矿渣/粉煤灰混凝土中，钢筋因氯离子引起的腐蚀起始时间明显长于OPC混凝土，并且钢筋表面的氯离子浓度较低。值得注意的是，随着矿渣含量的增加，这些优势变得更加明显。
除了孔结构外，结合能力也被认为是影响碱激活混凝土中氯离子渗透的另一个关键因素。混凝土中的氯离子通常分为游离氯离子和结合氯离子。前者存在于孔溶液中，后者通过物理和化学过程被结合。在OPC体系中，游离氯离子可以与三钙铝酸盐（C3A）、四钙铝铁酸盐（C4AF）或钙硫铝酸盐水合物（AFm）发生化学反应，形成弗里德尔盐[28]。这一过程不仅降低了游离氯离子的浓度，还由于孔隙填充效应而抑制了进一步的氯离子渗透[29]。此外，游离氯离子还可以物理吸附到OPC水化产物形成的钙硅酸盐水合物（C-S-H）凝胶上[28]。对于碱激活材料，大多数研究[30],[31],[32]表明，氯离子的结合主要通过物理吸附实现。然而，不同碱激活材料体系的结合机制有所不同。在碱激活矿渣体系中，主要反应产物是C-A-S-H凝胶，它主要通过表面吸附结合氯离子[33]。此外，碱激活矿渣中还会生成类似水滑石的层状双氢氧化物（LDHs）相，这些相主要通过层间离子交换结合氯离子[34],[35],[36]，从而增强了抗氯侵蚀性[37],[38]。Ye等人[39]观察到，在1.0 mol/L NaCl溶液中，碱激活矿渣的氯离子结合能力比OPC高70-150%。对于碱激活粉煤灰，主要反应产物是N-A-S-H凝胶，由于其高比表面积，能够物理吸附氯离子[40]。Zhang等人[30]指出，在将粉煤灰加入碱激活矿渣体系后，随着N-A-S-H凝胶的形成量增加，氯离子结合能力也随之增强。然而，由于N-A-S-H凝胶和沸石相的优先形成，未检测到弗里德尔盐。Walkley等人[40]发现，在碱激活矿渣/粉煤灰二元体系中，增加前体组成中的粉煤灰含量可以增加N-A-S-H凝胶的数量和总反应产物的比表面积，从而增强氯离子结合能力。
为了促进碱激活复合材料在耐久和可持续基础设施中的广泛应用，深入理解其抗氯侵蚀机制至关重要，特别是孔结构和结合能力的作用。此外，尽管实验室耐久性测试接近实际条件，但往往耗时且成本较高。相比之下，数值模拟不仅有效克服了这些限制，还能提供一些难以通过实验直接捕捉的潜在机制的见解。因此，本研究旨在通过实验和数值方法系统研究碱激活混凝土中的氯离子渗透行为。设计了具有不同前体组成、激活剂碱含量、激活剂模量和水灰比的二元碱激活矿渣/粉煤灰体系。通过汞侵入孔隙率（MIP）测试孔结构特性，并通过吸附平衡确定氯离子结合能力。随后建立了考虑孔结构和结合能力的碱激活复合材料中氯离子传输的三维数值模型，并通过实验数据验证了该模型的可靠性。基于所提出的模型，全面分析了相关因素对氯离子渗透的影响。此外，还进行了含氯环境中氯离子渗透深度的长期预测，以阐明关键配合比参数对碱激活混凝土氯离子渗透性的调节作用。本研究的结果有助于揭示碱激活混凝土中的氯离子传输行为，从而为这类无水泥建筑材料的耐久性设计和使用寿命评估提供理论指导。
