水化硅酸钙纳米颗粒间水特性

收稿日期：2013-06-03

基金项目：国家重点基础研究发展计划项目973计划（2013CB035901）；国家自然科学基金资助项目（51379163，51109170）作者简介：何真（1962-），女，浙江兰溪人，教授，博士生导师，主要从事水泥化学和混凝土耐久性研究。

E-mail ：hezhen@https://www.360docs.net/doc/da5790351.html, 水

利学报SHUILI XUEBAO 2014年2月

第45卷第2期

文章编号：0559-9350（2014）02-0205-08水化硅酸钙纳米颗粒间水特性

何真，郑巧，蔡新华

（武汉大学水资源与水电工程科学国家重点实验室，湖北武汉430072）

摘要：C-S-H （calcium silicate hydrate ，水化硅酸钙）纳米颗粒（约几十到几百个nm ）是硬化水泥浆体纳米层次的重要组成，水分在其中的输移特征对硬化水泥浆体有着极其重要的影响。本文通过理论分析，结合原子力显微镜观测结果，提出了水在C-S-H 纳米颗粒簇中流动的控制方程，然后确定了黏滞系数和滑移长度2个参数对控制方程的影响，同时考虑C-S-H 纳米颗粒表面的范德华力对周围流体的作用，建立了水在C-S-H 纳米颗粒簇中流动的物理模型。研究发现，C-S-H 纳米颗粒簇间的流体特性不可忽略，在C-S-H 纳米颗粒间水分可进行局部的自由交换，交换的结果可能会导致C-S-H 纳米颗粒的堆聚结构产生变化，最终会影响水泥基材料的收缩变形行为。关键词：水化硅酸钙；纳米颗粒；纳米尺度；流体；输移；模型

中图分类号：TV42文献标示码：A doi ：10.13243/https://www.360docs.net/doc/da5790351.html,ki.slxb.2014.02.0101研究背景

迄今为止，相比其它材料科学而言，水泥基材料的研究大部分仍停留在经验科学之上。基于现代材料测试技术的进步，许多学者已逐渐将重点聚焦在水泥基材料性能与其纳米尺度微结构的关系上，在波特兰水泥水化产物中约占60%~70%的C-S-H （calcium silicate hydrate ，水化硅酸钙）无疑成为研究的重点［1-3］。C-S-H 凝胶相是水泥硬化浆体中最复杂的纳米结构体系，其结构和性质决定着水泥

硬化浆体的微结构特征，进而决定着混凝土宏观强度和耐久性［4］。但由于C-S-H 的高度变化性、无

定型性以及研究手段的局限性，使得C-S-H 的微结构参数及其定量描述的模型始终难以获得，这在一定程度上影响了水泥基材料科学的发展。

Taylor ［5］认为，C-S-H 具有杂乱无章的层状结构，其中大多数是类似Jennite （羟基硅钙石）的结构，少数在结构上类似于1.4nm 的Tobermorite （托贝莫来石）。C-S-H 凝胶并非绝对密实，其间含有大量纳米级孔隙，包括层间空间、胶粒内孔（尺寸≤1nm ）、小凝胶孔（尺寸为1~3nm ）和大凝胶孔（尺寸为3~12nm ），极性的水分子充斥着这些空隙，并对C-S-H 纳米颗粒存在强烈的吸附能，导致C-S-H 纳米颗粒之间在水分子的作用下紧密的堆积。

Jennings ［4，6］提出了一种可以描述C-S-H 凝胶结构的模型，认为C-S-H 凝胶的较小的结构单元（clus?

ter ，簇）近似为直径小于5nm 的球状体（见图1）。这些球状体堆积在一起形成2种不同堆积密度的结

构，称作HD C-S-H （high density calcium silicate hy?

drate ，高密度水化硅酸钙凝胶）和LD C-S-H （low density calcium silicate hydrate ，低密度水化硅酸钙凝胶）（见图2），LD C-S-H 在开放的毛细孔体系中

图1C-S-H

最小结构单元

——205