题目

• 英文：Formation pathways and nanoscale texture of calcium silicate hydrate in cement hydration: Full-atom decoding of hydration microstructure

• 中文：水泥水化中硅酸钙水化物的形成路径与纳米结构：水化微结构的全原子解码

来源

• 期刊：Construction and Building Materials

• 年份：2026

• 作者：Yu Zhang , Le Guo , Zhiyong Liu , Dongshuai Hou , Jinyang Jiang

• 单位：山东科技大学，江苏省土木工程材料重点实验室，东南大学，青岛理工大学

研究背景

研究内容

综述总结了当前无机矿物领域所报道的5大类成核生长机制，结合热力学和动力学框架分析了每种机制的发生条件，假设认为水泥水化（硅酸盐类）中所存在的成核生长机制不可能（大概率）不会超出人类既有的认知范畴，那么通过形貌对比和基本的晶体化学推理可确认该5类成核生长机制是否存在于水泥水化体系。

1. 当知道“怎么生成的”，便可进一步推导“内部是什么分子构型”。

2. 当知道“什么生成条件（对离子浓度和弛豫的阈值条件）”，便可进一步推导出不同生成机制基于水泥表面径向距离的分布规律。

3. 最终，实现水泥水化体系中C-S-H的生长机制和内部分子构型的解析，其是水泥表面径向距离的函数。换而言之，实现了水泥水化体系的全原子解析。

主要图片

图1：成核与生长的多样化路径及其热力学与动力学起源：(a) 经典成核和 (b) 两步成核路径的自由能(ΔG)图，①和②分别展示了结晶C-S-H核和亚稳态液体预成核簇的原子排列，②中未显示水分子；(c, d) 形成路径作为c（离子浓度）和空间约束或T（温度）的函数，分别反映了热力学和动力学控制；CNOA/CNDA：经典成核后是晶核定向组装/无序堆积；MC：亚稳态到晶态

图2：C-S-H凝胶可能的形成路径：除了经典模型中所设想的单体逐个生长方式（即CNG和G），其形成还可以通过复杂的多步过程发生，包括CNOA或CNDA和MC两步路径。据我们所知，上述路径包括了无机矿物报道的所有大类形成路径

图3：水泥水化与C-S-H合成的反应环境比较，显示了 (a-d) Ca、Si、Na、K离子浓度随反应时间的变化；硬化水泥浆体孔隙溶液中的离子浓度数据来源于参考文献

图4：水泥水化体系 (a, c, e) 和C-S-H合成体系 (b, d, e) 之间C-S H小球（亚稳态中间体）形貌、衍射图谱和元素组成的比较；制备水泥浆体，w/c为0.4,水化时间为10min

图5：水泥水化体系 (a, c, e) 和C-S-H合成体系 (b, d, e) C-S-H箔形貌、衍射谱图和元素组成的比较；制备水泥浆体，w/c为0.4，水化24h

图6：C-S-H凝胶的形貌：(a) 悬浮的箔状C-S-H的TEM图像；(b, d) 合成 (c) 硅酸三钙水化与 (e) 水泥浆体水化 (w/c = 0.4) 生成的干燥团聚无定形C-S-H凝胶的SEM图像

图7：(a) 水泥和 (b, d) C3S水化15 min的水化产物；(c) C3S表面针状C-S-H凝胶生长的衍射图

图8：主导形成机制的距离依赖分布图：从a~b、b~c到c~d区域，主导C-S-H形成路径沿水泥颗粒径向距离的变化，驱动主导C-S-H形态从无定形转变为片状/针状，再转变为无定形；离子浓度和空间约束随着水泥颗粒距离的增加而减小

图9：C-S-H凝胶水化微观结构的全原子构型：(a)水泥熟料附近的C-S-H凝胶微尺度纹理；(b, c) 图a中方框区域的放大图像；(d) 图b中方框区域的横截面；(e) 图d中方框区域的放大图像，为F-S 模型；C-S-H凝胶分为三种形貌类型：C-S-H晶核、晶体C-S-H凝胶(如针状)和无定形C-S-H凝胶；由于具有极大的比表面积，C-S-H薄箔倾向于 (b) 折叠并团聚成无定形块或 (c) 吸附在附近的固相上，从而促进 (d) C-S-H分子间层 (MIL) 的大量形成；因此，MIL将控制薄箔之间以及薄箔与固体之间的化学键合；通过 (f) CNDA和 (g) CNOA路径生成的C-S-H凝胶的分子构型；对于CNOA，生长优先沿着硅酸钙层而非垂直方向进行，以最小化晶体的总表面能；(i) 图g中圆形区域的放大图，显示了C-S-H核的局部堆积结构；C-S-H晶核之间的晶格匹配成一个整体

图10：在水泥水化体系中吸附在固体表面的C-S H薄箔，如 (a, b, c, d) 水泥颗粒和 (e, f) 钙矾石

主要结论

以水泥颗粒为中心，随着距离增加，离子浓度和空间约束逐渐下降，分别影响了结晶成核生长的热力学和动力学条件，衍生出经典成核生长、成核后有序组装、成核后无序堆积、胶团再结晶2步走、基于既有表面的直接生长的5大类生成机制，该系列机制沿着水泥颗粒为中心的发散方向交叉分布，基于生成机制可逆推其堆积构型，获得晶粒无序堆积C-S-H、针棒状C-S-H、无定形C-S-H3大类水化产物，其分别位于内部水化产物、水泥表面、外部水化产物三个区域，对纳米压痕所测试的不受水灰比影响、高低密度C-S-H力学的本征差异给出了合理解释。由生成机制进一步推导该3大类C-S-H内部的原子排布形式，第一大类为经典成核所驱动的晶核堆积（即，C-S-H分子的自组装），第二大类为从胶团中晶体析出，其获得的为连续的、超薄的钙硅层分子结构，也就是我们所常说的薄箔状C-S-H。

基于所构建的这一套水泥水化体系C-S-H生成机制和纳观构型的空间图谱，为众多疑问的相容化解释提供了工具，如：1）超大比表面积薄箔状C-S-H的团聚吸附构成水泥胶凝力的源头；2）薄箔状C-S-H的吸附行为包裹水泥颗粒，抑制离子扩散，统一了水化膜理论和过饱和理论对水化诱导期的解释；3）C-S-H凝胶F-S模型和颗粒模型的统一；4）为建立串联全尺度的大统一模型迈出第一步。

该方法论，对于低结晶度多相体系的其他领域的问题，具有普世的可推广性。

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