Ca3SiO5晶体结构中O的配位环境及其与性能的关系

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。