C—S—H凝胶的制备与性能研究

利用水热合成法制备了C-S-H凝胶，重点研究了不同的制备工艺、原材料与钙硅比对C-S-H凝胶结构的影响。经过详尽的X衍射（XRD）与核磁共振（NMR）分析表明，制备的样品都具备C-S-H凝胶的峰型特征；活性反应法相对于沉淀反应法制备的C-S-H凝胶层间距小、聚合度低；证实了C-S-H凝胶的层状结构，且层间距随钙硅比的增...     

水分子对无定形C-S-H凝胶微结构和力学性能的影响

基于随机系统,利用Ca离子、H₂O分子、OH基团和Si₃O₁₀集团作为基本单元构建无定形C-S-H凝胶模型,并结合分子动力学方法进行结构优化,得到不同H₂O/Si含量的无定形C-S-H凝胶。通过分析不同原子对的径向分布函数和近邻原子数,研究了水分子含量对C-S-H凝胶体系的微观结构特性和力学性能的影响。研究结果表明:无定形C-S-H凝胶体系符合非晶态结构特征即短程有序长程无序。由于Ca离子附近的O原子从水中的O原子变成了硅氧四面体中的O原子,导致水分子含量减少时Ca-O原子对的近邻原子数变化不大。随着水分子含量的增高,硅链骨架层间距增大,层间水分子增多,粘聚力减小,材料容易变形,导致材料体积模量、杨氏模量和剪切模量均减小。无定形CS-H凝胶模型的力学参量与实验值吻合较好。     

氯离子环境下钙矾石和水化硅酸钙体系铝配位分布

通过化学合成钙矾石和水化硅酸钙,利用XRD、27 Al核磁共振测试手段,研究了氯离子环境下钙矾石(AFt)和水化硅酸钙(C-S-H)凝胶体系中铝配位分布规律。结果表明,在C-S-H凝胶和氯离子共存环境中,第三类水化铝酸盐(TAH)凝胶中六配位铝(Al[6])首先转化为四配位铝(Al[4])进入C-S-H结构,且Al[4]总量不受C-S-H钙硅比限制;同时氯离子不影响Al[6]-TAH向Al[4]转化,当达到C-S-H凝胶容纳Al[4]的极限时,剩余的Al[6]-TAH才与氯离子反应形成Friedel盐(F盐)。TAH比AFt更容易与氯离子反应形成F盐;低钙硅比C-S-H环境不利于TAH与氯离子结合,但利于钙矾石分解并与氯离子反应生成F盐。     

SiO_2气凝胶的合成与孔结构表征

采用溶胶-凝胶法结合超临界流体干燥技术制备了SiO2气凝胶,系统地考察了醇硅比、水硅比、体系pH值等制备条件对SiO2气凝胶胶凝时间、孔径分布及孔型结构的影响.结果表明,水硅比对气凝胶的孔径分布和孔型具有较大的影响;水用量增加.胶凝时间延长,气凝胶的孔径分布逐渐变窄,孔型趋于一致.乙醇不参与溶胶-凝胶反应,只对TEOS有助溶和稀释的作用,因此乙醇用量增加,溶胶的胶凝时间延长,但对体系反应的影响相对较小,不会引起气凝胶孔结构的剧烈改变.在较小pH值或弱碱性范围内,pH值对孔形结构的影响也比较小,体系pH值增大,胶凝时间缩短,制得的气凝胶孔径分布较窄,孔型均一.当pH值大于8.5后,不利于气凝胶网络结构的形成和均匀分布,胶凝时间随pH值的增大而延长,制备的气凝胶孔径和孔型分布都比较大.     

电化学和sol-gel法结合制备Cu-SiO2薄膜——不同pH值CuSO4硅溶胶中Cu的电化学行为

研究金属或半导体在溶胶中的电化学行为对电化学和溶胶-凝胶(sol-gel)法结合制备掺杂金属和半导体的复合凝胶薄膜有极大指导意义。用循环伏安(CV)和计时安培(CA)法研究了电化学和sol-gel法结合制备Cu-SiO2凝胶薄膜时不同pH值CuSO4硅溶胶中Cu在玻碳电极上的电沉积和电结晶行为。结果表明:在pH=1.0~3.0的CuSO4硅溶胶中,Cu2+的扩散系数在pH=2.0时最小,pH=1.0时较pH=3.0时大,这也是造成硅溶胶中pH=2.0时还原最难,pH=3.0时次之,pH=1.0时最易的原因;Cu在硅溶胶中的电沉积为Langmuir型吸附-三维瞬时成核机理;硅溶液中Cu2+的传递系数均大于0.9,存在吸附层;Cu2+在吸附过程的总放电量Qads随pH值增大而增大;Cu的成核数密度都随电位增大而增大,随pH值增大而减小,故pH值在1.0~3.0内越大越不利于制备Cu-SiO2薄膜。     

不同钙硅比水化硅酸钙力学性能的分子动力学模拟

基于Pellenq等的建模思路,构造了不同钙硅比(C/S)的水化硅酸钙(C-S-H)原子模型,采用分子动力学方法模拟了C-S-H在轴向拉伸载荷作用下的力学性能。重点比较分析了不同钙硅比的C-S-H在无水及含水情况下的拉伸应力-应变曲线。模拟结果表明:(1)与钙硅比为1.0的情况相比,钙硅比大于1.0时C-S-H结构的抗拉强度显著下降;(2)钙硅比大于1.0时,钙氧间的相互作用在承受载荷方面起重要作用,有效弥补了结构中因SiO_2基团缺失引起的缺陷,使得C-S-H的强度下降程度趋缓;(3)当应变达到一定程度时,水分子能够切断钙氧间的相互作用,使得C-S-H结构的强度进一步降低甚至引起断裂失效。     

过氧化法常压干燥制备的V_2O_5气凝胶的性能探究

以V2O5晶体粉末、H2O2(30%(质量分数))为原材料,采用溶胶-凝胶法,通过溶剂替换工艺在常压下成功地制备了纳米多孔结构的V2O5气凝胶材料.采用扫描电镜(SEM)、透射电镜(TEM)、比表面积仪(BET)、粉末X射线衍射(XRD)、傅立叶红外分光光度计(FTIR)和拉曼光谱仪(Raman)等方法分别观察和测试了V2O5气凝胶材料的形貌、晶态结构及分子振动.SEM、TEM观察表明,常压干燥制备的V2O5气凝胶呈比较规则的具有层状结构的纤维网络状结构;XRD分析表明,由于结合水插入层间而使V2O5气凝胶的层间距有明显的增加;BET测试结果表明,常压干燥制备的V2O5气凝胶材料的平均孔径为16nm,最大孔径为78nm.     

水泥石的结构、组成与干缩性能的关系

通过干缩测定、IR分析、TG-DSC综合热分析、孔结构测定(MIP法)等方法研究了水泥石的结构、组成与干缩性能的关系.水泥石的结构、组成(孔结构、水化产物的组成和数量、C-S-H的表面性能及化学结构)的改变通过采用矿物掺合料等量取代水泥、干燥前养护温度改变(20℃和60℃)来实现.结果表明,可逆收缩取决于水化产物的数量与C-S-H凝胶的表面性能与化学结构,随压汞法测得的小于30nm的孔体积增加而线性增加;不可逆收缩则与C-S-H凝胶的化学结构及其表面性能有关,C-S-H凝胶的聚合度增加,表面积下降,不可逆收缩减小;总干缩中部分不可逆收缩是由C-S-H的硅酸盐聚合度增加而造成的.     

以TEOS为前驱体的硅溶胶可纺性及其玻璃纤维的制备研究

以正硅酸乙酯(TEOS)为硅源,无水乙醇(EtOH)为溶剂,采用溶胶-凝胶法制备一定黏度的硅溶胶,陈化后用提拉法制得SiO2玻璃纤维.研究了酸硅比、水硅比、反应温度等不同反应条件对硅溶胶可纺性及玻璃纤维制备的影响,并对玻璃纤维进行IR和XRD表征.确定了制备可纺硅溶胶和玻璃纤维的最佳反应条件.结果表明:水硅比为1.5,酸硅比为0.03时,溶胶的可纺性最好,该反应条件下制得的硅溶胶最易制备SiO2玻璃纤维.     

气凝胶骨架结构的有机-无机交联度对其力学、热学性能的影响

硅系气凝胶是目前研究理论最为完善、合成技术最为成熟的气凝胶材料。本工作分别以四乙氧基硅烷(TEOS)、甲基三甲氧基硅烷(MTMS)、MTMS与二甲基二甲氧基硅烷(DMDMS)混合硅源、乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 制备了不同种类的硅系气凝胶。所制得的硅系气凝胶具有较高的比表面积, 并呈现出纳米多孔的网络结构。本研究详细探讨了前驱体结构对气凝胶的力学及热学性能的影响。结果表明, 硅系气凝胶的骨架结构交联度越低, 弹性性能越好; 同时, 引入有机碳氢链会进一步提升气凝胶的弹性性能。所制备的硅系气凝胶兼具良好的保温隔热性能, 常温热导率在0.032~0.041 W/(m·K)范围内, 热重损失随着骨架结构内有机组分的增多而增大。这些优良的力学及热学性能使硅系气凝胶在保温隔热、储能等领域均具有广阔的应用前景。     

Ca(OH)2解耦法对混合水泥中C-S-H凝胶的半定量研究

基于掺合料反应程度与Ca(OH)2消耗量之间关系的建立,结合水泥水化平衡计算理论,提出混合水泥水化产物中Ca(OH)2量的解耦方法并将其用于混合水泥水化产物C-S-H凝胶半定量计算.采用该法对掺粉煤灰的混合水泥不同龄期水化产物C-S-H凝胶进行了半定量分析研究.     

水化硅酸钙晶种对CaO-SiO2-H2O蒸压体系强度的影响及其机理分析

选取石灰与无定形二氧化硅为原料,利用水热合成法在不同热工条件下制备了水化硅酸钙晶种,研究水化硅酸钙晶种对硅酸盐蒸压制品强度的影响。通过化学分析法探讨了不同蒸压时间下水化硅酸钙晶种对粉煤灰反应程度的影响;利用X射线衍射(XRD)、电子扫描电镜(SEM-EDS)和压汞法(MIP)分析了晶种对不同蒸压时间下CaO-SiO_2-H_2O体系水化产物种类及形貌的影响。研究结果表明:采用钙硅物质的量比为1.0、水热合成温度低于150℃时制备的水化硅酸钙晶种提高CaO-SiO_2-H_2O蒸压体系强度最明显,水化硅酸钙晶种的掺入促进了粉煤灰中SiO_2快速溶出以及水石榴石的分解,提高了水化产物含量;水化硅酸钙晶种的加入可以细化孔结构,使孔结构分布均匀,增加50nm以下的无害孔及少害孔数量,减少大于200nm的多害孔数量。     

Composition and density of nanoscale calcium-silicate-hydrate in cement

Although Portland cement concrete is the world's most widely used manufactured material, basic questions persist regarding its internal structure and water content, and their effect on concrete behaviour. Here, for the first time without recourse to drying methods, we measure the composition and solid density of the principal binding reaction product of cement hydration, calcium-silicate-hydrate (C-S-H) gel, one of the most complex of all gels. We also quantify a nanoscale calcium hydroxide phase that coexists with C-S-H gel. By combining small-angle neutron and X-ray scattering data, and by exploiting the hydrogen/deuterium neutron isotope effect both in water and methanol, we determine the mean formula and mass density of the nanoscale C-S-H gel particles in hydrating cement. We show that the formula, (CaO)1.7(SiO2)(H2O)1.80, and density, 2.604 Mg m(-3), differ from previous values for C-S-H gel, associated with specific drying conditions. Whereas previous studies have classified water within C-S-H gel by how tightly it is bound, in this study we classify water by its location-with implications for defining the chemically active (C-S-H) surface area within cement, and for predicting concrete properties.     

Sol-Gel法合成MAPS-Ti(OC_4H_9)_4体系的有机聚钛硅氧烷的结构和性能

用ｓｏｌ－ｇｅｌ技术在酸催化下水解、合成ＭＡＰＳ－Ｔｉ（ＯＣ４Ｈ９）４体系溶胶，用热失重分析（ＴＧＡ）、差动分析（ＤＳＣ）结合红外光谱（ＦＴ－ＩＲ）分析不同组分与不同条件下合成的溶胶－凝胶的热性能和结构关系，并用盐雾试验和电化学测试方法评价了它们涂膜的耐蚀性。     

Layer spacing of montmorillonites modified with rigid rods

The dependence of the interlayer distance in modified montmorillonite clays on the length of rigid rod molecules used for clay organophilization is studied. Therefore, a series of fully aromatic compounds of different length functionalized with a terminal amine group has been synthesized and transformed into the corresponding ammonium salts. The interlayer distance is determined by X-ray diffraction, the quantity of the modifier incorporated in the clay is obtained by thermogravimetric analysis. It is shown that the distance between layers in the modified clay does not depend on the length of the modifier used. This fact leads to the conclusion that rigid rods must be oriented parallel to the clay layers. On the other hand, the molar percentage of modifier molecules incorporated in the clay structure depends on the length of the rigid rods in the sense that shorter molecules are considerably easier to incorporate than longer ones.     

硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体C-(A)-S-H凝胶结构的影响

C-（A）-S-H凝胶的结构不仅受水泥基材料自身组成的影响,更受其所处环境的影响。本文利用固体核磁共振（NMR）并结合去卷积技术,探究硫酸盐侵蚀溶液pH值对硅酸盐水泥浆体中C-（A）-S-H凝胶结构的影响。结果表明:硫酸盐侵蚀过程中,前期进入凝胶中的Al3+后期又会脱出,使凝胶中四配位铝（Al[4]）/Si比值降低。侵蚀溶液pH值的降低促进了凝胶中Al[4]的脱出,使Al[4]的峰位向负值移动;同时也促进了[SiO₄]（[AlO₄]）四面体间的聚合,使C-（A）-S-H凝胶平均分子链长（MCL）增加。此外,侵蚀溶液pH值的降低,促进了浆体的水化,但抑制了浆体中钙矾石（AFt）的生成。      

Structural characterization of C-S-H gel through an improved deconvolution analysis of NMR spectra

The structure of the C-S-H gel in hydrated cement samples prepared with and without the addition of silica nanoparticles is studied in this work through the deconvolution of ²⁹Si MAS-NMR spectra. X-ray diffraction and energy dispersive X-ray microanalysis are also considered for the analysis. A method with improved sensitivity and reliability is proposed for the deconvolution of the spectra into elementary components involving a good fitting of both the spectral curve and its second derivative. The increased sensitivity of the deconvolution proves to be especially interesting for the characterization of low concentration components in the NMR spectra, and the high reliability allows properly defining the effect of nanosilica addition on the C-S-H gel nanostructure. In fact, the addition of nanosilica is found to produce a pozzolanic reaction that results in an increase of the mean silicate chain length and an enhancement of the aluminum incorporation into the C-S-H gel phase.     

K~+和Na~+在C_3S-纳米SiO_2浆体上的存在形式

以拌合液为KOH和NaOH混合溶液的C_3S-纳米SiO_2浆体为对象,研究了液固比对浆体在去离子水中释放K~+和Na~+的影响以及浆体对K~+和Na~+的滞留能力;并采用29Si MAS NMR分析讨论了K~+和Na~+在C_3S-纳米SiO_2浆体上的存在形式。结果表明:随着液固比的增大,浆体释放的K~+和Na~+的百分数逐渐增大;经去离子水充分洗涤后仍有一部分K~+和Na~+存在于浆体中,且浆体对K~+和Na~+的滞留能力随着纳米SiO_2掺量的增加以及拌合液碱浓度的增大而增强。29Si MAS NMR分析证实了K~+和Na~+能够进入C-S-H凝胶层间形成不可逆的化学结合。K~+和Na~+通过取代C-S-H凝胶层间≡SiOCa+中的Ca2+,缩短了C-S-H凝胶中[SiO4]4-四面体链长,从而使凝胶中Q1和Q2峰向左移动。     

水蒸汽辅助凝胶转化法合成连续致密的TAPO-5分子筛膜

采用水蒸汽辅助凝胶转化法合成TAPO-5分子筛膜, 使用XRD、SEM和UV-Vis对膜层进行了表征, 并与传统水热晶化法进行了对比。通过探讨老化模式和晶化时间对TAPO-5分子筛膜表面形貌、晶粒结构与交联性以及膜层覆盖度与致密性的影响, 发现使用水蒸汽辅助凝胶转化法, 在预先老化条件下晶化48 h, 有利于TAPO-5分子筛在载体表面的生长, 在多孔α-Al₂O₃载体表面形成完整、致密的TAPO-5分子筛膜, 也有利于形成骨架钛。