水化硅酸鈣的形貌調控及其在水泥水化中的作用

摘要：采用化學沉淀法制備無定形、球狀、針狀、層狀等不同形貌的水化硅酸鈣（C-S-H），探究了表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）和十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）與C-S-H 形貌和結構之間的變化規律，研究了不同形貌的C-S-H 對水泥性能的影響。發現當表面活性劑濃度大于臨界膠束濃度（CMC）時，水泥水化熱與水泥強度之間存在顯著相關性。通過C-S-H 形貌設計得到不同微觀形貌的水泥制品，其增強效果由高到低依次是無定形、球狀、針狀、層狀。該實驗結果對于普通水泥的性能改善具有一定的指導意義。

關鍵詞：水化硅酸鈣（C-S-H）；膠束形貌；水泥水化；透射電鏡；表面活性劑；硬化性能

中圖分類號：TQ170 文獻標志碼：A

水泥是現代經濟建設的基本材料，提高混凝土特殊性能以適應不同的環境需求是一個重要研究課題[1-2]。水化硅酸鈣（C-S-H）是水泥基材料最主要的水化產物，是水泥強度最主要來源，深入了解C-S-H凝膠組成、形貌及相應結構對于理解、調節與控制水泥基復合材料力學性能與化學穩定性具有重要意義[3-4]。

表面活性劑膠束是實現納米材料大小和形貌可控的重要手段之一，廣泛應用于納米材料合成與制備中[5-6]。當表面活性劑濃度超過臨界膠束濃度（CMC）時，表面活性劑形成球形膠束。離子型表面活性劑的一部分抗衡離子定位于膠束表面，而另一部分則分散于膠束向棒狀或層狀膠束轉變[7]。表面活性劑膠束形貌不同，則其作為模板產生的納米材料功能不同或應用范圍不同。Li 等[8] 在含有十二烷基磺酸鈉（SDS）的正辛烷中加入飽和碳酸氫鈉水溶液，合成出海錦形態以及文石結構致密堆積的圈層狀形態的碳酸鈣。Wang 等[9] 利用十六烷基三甲基溴化銨（CTAB），在90 ℃、pH=13 時制成直徑為27 nm納米球；在150 ℃、pH=9 時制成寬約60 nm、長約1 μm的長纖維。Zhang 等[10]以Ca（OH）2、Ca（NO3）2·4H2O和Na2SiO3·9H2O 為原料，以CTAB 為表面活性劑合成了空心球狀的C-S-H，并研究了其載藥效果。劉立華等[11] 用SDS、非離子型表面活性劑P123 等多種表面活性劑制備介孔（狹縫孔，孔徑4～50 nm）C-S-H，并研究了不同形貌C-S-H 對重金屬的吸附性能。

以往學者多側重于C-S-H 的結構和化學組成研究，而對于不同形貌的C-S-H 對水泥試樣早期強度、水化進程的影響研究并不多。本文通過不同的表面活性劑膠束合成了球狀、針棒狀、層狀3 種不同形貌的C-S-H，實現了C-S-H 形貌多變性和可控性。同時，將不同形貌的C-S-H 應用到水泥漿體上，探討了不同形貌C-S-H 對水泥水化產物的生長影響以及對整個水化進程的影響。

1 主要原料和測試方法

1.1 主要原料和測試儀器

四水硝酸鈣、九水硅酸鈉、磷鎢酸、無水乙醇，均為分析純，購自國藥集團化學試劑有限公司；十二烷基苯磺酸鈉（SDBS）、CTAB，均為分析純，購自上海泰坦科技股份有限公司；P·I 42.5 基準水泥，購自曲阜中聯水泥有限公司，其主要成分見表1；標準砂，購自廈門艾思標準砂有限公司；ZY-5020 干粉消泡劑、VIVID-625 減水劑、去離子水，均由上海三瑞高分子材料股份有限公司提供。