C-S-H组成和结构

凝胶结构模型
慕尼黑模型
几种C-S-H 的结构模型示意图
Power’s model
凝胶粒子
凝胶孔
毛细孔
结构：类似于凝胶颗粒的堆积
Powers model
收缩与膨胀机理示意图
凝胶由刚性的C-S-H 组成，只能解释浆体湿胀干缩 过程中的毛细作用。
C-S-H:水泥矿物C3S 和β-C2S的水化产物。
钙硅比（C/S）不同，C-S-H不同 C-S-H中H2O摩尔比无法确定
C-S-H凝胶特点
▪ 凝胶粒子的尺寸在纳米级且多孔 ▪ 组成可变，常用 C/ S和 H/ S 表示其组成，波动范围大 ▪ 非晶体, 采用[SiO4]4-四面体的聚合度表示其结构 ▪ 多种结构, 有纳米晶体、 短程有序和无定型
Ca9( Si6O18H2) •6H2O
C-S-H(Ⅰ) ➢与1.4-nm tobermorite结构类似 ➢桥式四面体的缺失,单链长度改变 ➢层间Ca离子含量的变化
➢Ca/Si=0.67~1.5
C-S-H(Ⅱ) ➢与jennite结构类似 ➢不完美的六水矽钙石 ➢桥式四面体的缺失，单链长度改变 ➢C/S≈2.0
试样：
C/(S+A)为0.55、0.69、0. 78的富硅试样； C/(S+A)为1.17、1.45和1.77的富钙试样。
各种 C-S-H 试样的 Q1/Q2比
C-S-H的纳米结构研究
▪ 很多人认为C-S-H是不定型 的凝胶，那么在原子力显微 镜（AFM）下他的图像又会 是什么样子呢？
C-S-H的AFM图像（C/S=1.5）
几种经典的C-S-H纳米结构模型（1965年前）
wk.baidu.com
T.C. Powers model (1954) Powers-Brunauer model (1958-1962) Feldman-Sereda model (1964) Wittmann (Munich model) (1976)
不规则的层状模型
用电子显微镜观察水化硅酸钙 电子衍射测定其结构
水泥水化的 4种形貌
纤维状 蜂窝状 不规则等大粒子
Grudemo
发展历程
SEM出现 Taylor
确定C-S-H的名称
Diamond
多孔内部水化产物
S
E AE
MT P - EM
Taylor
E MA
D
X
A
明确Ca与 Si比在0.6-2 内波动
C-S-H概述
▪ 由Fujii等提出，他们认为是托贝莫来石与Ca(OH)2的固溶体 ▪ CH位于托贝莫来石的层状结构中
模型优点：
解决了一些热力学定量计算问题
模型缺点：
未提及类似区域钙与硅的摩尔比对其微观结构的影响
R-G(Richardson & Groves)模型
C-S-H凝胶为钙硅组分、Ca(OH)2 和水分子组成的固溶体。
模型优点：
很好地解释了C-S-H凝胶层状结构中的无序特性；可描述局部钙 与硅的摩尔比、含水量和平均硅链长度
模型缺点：
局部结构特性少有涉及，也不能用于分析结构无序性与成分 起伏变化之间的内在联系
中介结构模型
▪ 无定型基体、镶嵌在其中的成分变化的纳米晶区域(5nm)和短程有序区 （< 1nm ）组成
▪ 证实了 Taylor 的两相结构假设 ▪ 支持了固溶体结构模型。
通常情况下，水化反应产生的C-S-H为C-S-H(I) C-S-H(II)的Ca/Si约为2
C-S-H的结构模型
▪ Taylor的结构模型 ▪ Kantro的固溶体模型 ▪ Richardson和Groves的模型 ▪ 中介模型 ▪ 富硅富钙模型
Taylor的结构模型
C-S-H分类 ➢C-S-H(I)和C-S-H(II) ➢C-S-H(I)类似于1.4-nm tobermorite ➢C-S-H(II)类似于jennite
纤维状的C-S-H相（SEM） Ⅲ型C-S-H
颗粒状的C-S-H相（SEM）
C-S-H的结晶相
▪ ＞1OO℃（压力高于1个标准大气压）的水热合成条件，结晶良 好
▪ ＜100℃，晶相结晶度差 常温下水化形成的C-S-H就属于这种晶相，它主要以凝胶状态
存在，一般用C-S-H凝胶来表示。
C-S-H(I), C-S-H(II)的结构随组成、聚合度、结 晶度变化
C-S-H的组成和结构
史才军
湖南大学土木工程学院
C-S-H概述 C-S-H发展历程 C-S-H化学组成 C-S-H结构模型
C-S-H 凝胶研究方法
C-S-H概述
➢ 重要的水泥水化产物 ➢ 决定混凝土工程特性的重要因素 ➢ 水泥水化体积的50 - 60% ➢ 表面积大 (100-700 m2/g) ➢ 可通过人工合成，由含钙盐和硅酸盐的 溶液沉淀得到
1.4-nm tobermorite、 jennite和相关相的结构数据
Taylor的模型
杂乱无章的层状结构 高度变形的托贝莫来石和类羟基 硅钙石结构； 内部[SiO4]4-四面体链具有三元 重复结构。
纳米非均质体系
Taylor' model
固溶模型(Solid-Solution Model)
这种分类存在着争议！！！
1.4-nm tobermorite
中心：Ca-O多面体
层状结构
两侧：[SiO4]4-四面体单链
➢层状结构
➢C/S=0.87 ➢理想结构组成通式：
Ca5( Si6O18H2) • 8H2O
B-桥四面体 P-成对的四面体 H-OH 离子
Jennite
➢Ca-O层周围存在大量OH-； ➢Ca-O层发生起皱，皱褶里含有硅 氧四面体、水分子和OH-； ➢C/S=1.5 ➢理想结构组成通式：
C-S-H 的 meso 结构示意图
富硅富钙结构模型
以CaO-SiO2-H2O(含Al2O3)体系为研究对象.
两个独立的相区
富钙区（C/S≥1.1）
富硅区（C/S：0.6~1.0）
通式：Ca4Si2O7(OH)·H2O
可看作类Tobeimorite结构
富硅富钙结构模型
以CaO-SiO2-H2O(含Al2O3)体系为研究对象.
C-S-H化学组成
▪ 基本组成 转化
SiO2-CaO-H2O ▪ 两个指标
钙硅比（C/S） ▪ 组成复杂性
CaOx·SiO2·(H2O)y 水硅比(H/S)
时间和空间的双重变化性
C/S 0.6-2.0 水泥石中C/S一般在1.7左右
C-S-H凝胶形貌
Ⅰ型C-S-H
Ⅱ型C-S-H
网络状的C-S-H相和六角板状Ca(OH)2 晶体（SEM）