Ca3SiO5晶体结构中O的配位环境及其与性能的关系

Ca3SiO5(C3S)是硅酸盐水泥熟料的最重要矿相。C3S的结构复杂，提高熟料的胶凝性，必须从解析其结构入手，深入研究结构与性能的关系，这既是当今研究的核心也是难点。测试技术的发展，为解析C3S结构，研究结构与性能的关系提供了支持。课题根据实测合成三斜C3S单晶发现，C3S结构中O存在两种配位类型，且C3S的高活性极有可能与O的配位有关；此外，O配位与三斜不同的某些单斜C3S存在早期水化放热双峰（排除可能的实验误差），已有理论难以解释现有实验结果，其可能与O的配位有关；但目前，C3S结构中O的配位环境及其与性能的关系尚不明确。为此，本项目拟以解析C3S的结构为核心研究内容，以研究O配位变化与C3S水化性能的关系为目的，以提高C3S的水化性能为目标开展研究。研究成果丰富了水泥熟料化学的应用基础理论，为提高硅酸盐水泥熟料质量及深入理解水泥水化反应过程奠定了理论基础，具有重要的理论和应用价值。

硅酸三钙(C3S，固溶体称为阿利特）是硅酸盐水泥熟料胶凝性的最主要提供者。材料的结构决定材料性能。因此，解析C3S结构，从结构上探求C3S高胶凝性本源，理解C3S结构与性能关系一直都是水泥化学方面的重要问题。本课题组根据实测合成三斜T1型纯C3S单晶研究发现，C3S结构中O存在两种配位类型，且其高活性极有可能与O的配位有关。但是，C3S具有复杂的多晶型结构，结构中O的配位环境及其与性能的关系尚不明确。项目组通过研究离子固溶、热历史、C3S结构及活性的相互影响关系，在考量离子固溶及晶型活性本身差异的影响基础上，探究了不同晶型C3S结构中O的配位化学及差异，考察了O的配位环境与C3S水化性能的关系，探讨了早期水化反应放热双峰的原因。结果表明：不同晶型C3S结构中均存在两种配位环境的Ｏ，一个是[SiO4]四面体中的O，一个是不与Si键和的Ca-O多面体中的O2-，且O-Ca多面体三个为一组，以共用棱面的形式存在，是C3S具有高胶凝性的原因。在T1，M3及R晶型中活性Ｏ的比例依次为1/5，1/4和1/3，即随着C3S结构对称性升高，活性O2-的比例增大。高含量活性O2-的C3S质子化速度快，早期水化活性高。在R型C3S中活性O2-含量最高，具有显著高的强度性能。在同种晶型C3S中，活性O2-的电子结合能越低，C3S具有越高的水化活性。早期水化放热双峰与O配位特征变化关系不大，主要可能与某些固溶组分在表面的析离有关。研究成果丰富了水泥熟料化学基础理论，对优化提高硅酸盐水泥熟料质量具有重要的指导作用，有利于深入理解水泥水化反应过程，极大促进了水泥科学的发展，具有重要的理论和应用价值。