硅酸三钙晶体结构的基础研究

硅酸三钙（C3S）是硅酸盐水泥熟料中最重要的矿物，其含量占熟料重量55～65%，C3S的数量和介稳状态对水泥水化能力和水泥石以及混凝土性能产生直接影响。我国水泥产量多年来稳居世界第一，2007年达13.6亿吨，发生世界金融危机的2008年我国水泥产量也高达14亿吨，所生产的水泥熟料达10.5亿吨，粗略估算其中C3S含量达5.8～6.8亿吨。由于C3S量大且极其重要，近60年来很多学者对其晶体结构进行了不懈研究，获得许多重要结果，但因其结构的极其复杂性，获取单晶十分困难，只得通过粉末X光衍射、差热和光学显微镜等手段进行分析，这难以获得晶体结构的精确数据。本项目拟通过高温合成法、熔盐法、光浮区熔法及自蔓延燃烧合成等技术合成C3S微单晶，采用X射线单晶衍射仪CCD解析C3S晶体结构参数和原子坐标，为其他学者研究C3S的掺杂和介稳态及其水化活性、水泥熟料的性能提供最基础的结构数据。

本项目采用高温光浮区熔法成功合成了硅酸三钙（C3S）微单晶试样，采用CCD 单晶衍射仪对C3S微单晶试样的晶体结构进行了精确结构分析，确定该晶体为三斜晶系（T型），a=13.719(2) Å，b=14.291(3) Å，c=11.745(2) Å；α=90.235(3)°，β=94.395(3)°，γ=104.306(4)°，V=2224.1(7) Å3，Z=18，空间群为P-1(No.2)，R1=0.0358 (Ngt=8729)，wR2= 0.1034 (Nall=9719)，较Golovastikov，N.I.等人的分析精度（R因子为0.097）高很多，是迄今为止国际上关于C3S晶体最精确的结构数据。同时首次发现C3S晶胞的45个O原子中，有9个O原子处于与其它O原子不同的结构环境，这可能是C3S具有高活性的因素之一。.此外，研究了7种典型的固溶离子对C3S粉体介稳结构的影响，以期为合成其它晶型（R型、M型）的C3S微晶体提供参考。研究表明，多离子复合主要稳定M型的C3S；Mg2+、Al3+和高含量P5+对稳定R型能力强；MgO掺量小于1.0%时，C3S为M相和R相的混合相；当MgO掺量大于1.0%或Al2O3掺量大于0.2%时，C3S为M型。在后续试图合成其它晶型C3S的研究中，采用上述多种掺杂离子量和与合成T型C3S微单晶的相同工艺，获得的C3S试样均为混合相，现已送美国阿贡国家实验室采用同步辐射实验分析其结构，尚待实验结果。