Investigation of structural diversity derived from water molecule network in porous cement mineral

多孔水泥矿物中水分子网络结构多样性的研究

基本信息

批准号：
22K14750
负责人：
山根崚
金额：
$ 2.91万
依托单位：
Tohoku University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for Early-Career Scientists
财政年份：
2022
资助国家：
日本
起止时间：
2022-04-01 至 2024-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

エトリンガイト（Ca6Al2(SO4)3(OH)12・26H2O）はセメントの水和反応でできる多孔性の鉱物である。近年、合成の容易さとイオン交換能から有害成分の除去剤として注目され、ゲストの分子・分子アニオン（以降、まとめて分子と呼ぶ）の取り込みに関して更なる研究が期待される。本研究では、この鉱物の40 wt%がホスト構造に水和した水分子で、通常、多孔体がゲストとして含む“水”と比べ特異的な存在様式を持つ点に着目し、それらが脱水する際に引き起こす“結晶性の崩壊”のメカニズムの詳細の解明に着手した。この“結晶性の崩壊”はセメント膨張剤として用いられるエトリンガイトの遅延生成によるセメントのひび割れに影響を及ぼすと考えられている。これまで、ブラッグピークを示さなくなった試料に対してはX線回折測定が行えず、構造研究が進んでいなかったが、本研究ではX線異常散乱を利用したrdf解析により、“結晶性の崩壊”に伴う短距離・中距離の秩序構造の変化を調べた。ここで、エトリンガイトは比較的軽い元素からなるので、X線異常散乱においてrdf解析に必要な程度のQを確保した実験ができない。そこで、本研究ではAlをGaに置換したGa-エトリンガイトをアナログ物質としてGaのK吸収端近傍におけるX線異常散乱を行った。その結果、300 ℃まで熱した試料についても6 Åまでの範囲で、Ga-X（X = Ca, Ga, S, O）相関はエトリンガイトの結晶構造と一致することが判明した。このことはGa-エトリンガイトの骨格構造であるCa-Ga-O1Dロッドのモジュールは300 ℃まで熱しても秩序的に配列していることを意味している。また、含水鉄リン酸塩（藍鉄鉱）においても、水和された2Dモジュール構造が保たれたまま同様の“結晶性の崩壊”を示すことも突き止めている。

钙矾石（Ca6Al2(SO4)3(OH)12·26H2O）是由水泥的水化反应形成的多孔矿物。近年来，由于其易于合成和离子交换能力，它作为有害成分的去除剂而受到关注，并且期望对客体分子和分子阴离子（以下统称为分子）的掺入进行进一步的研究。在这项研究中，我们关注的事实是，这种矿物质的 40 wt% 是主体结构中水合的水分子，与通常作为客体包含在多孔材料中的“水”相比，水分子具有独特的存在模式，并且我们已经开始阐明这个过程中发生的“结晶崩溃”背后的机制细节。这种“晶体塌陷”被认为会由于用作水泥膨胀剂的钙矾石的延迟形成而影响水泥开裂。到目前为止，还无法对不再显示布拉格峰的样品进行 X 射线衍射测量，并且结构研究也没有取得进展，研究了与“塌陷”相关的短程和中程有序结构的变化。在此，由于钙矾石由比较轻的元素构成，因此无法进行确保X射线异常散射中的rdf分析所需的Q的实验。因此，在本研究中，我们使用Ga-钙矾石作为模拟材料，在Ga的K吸收边附近进行了反常X射线散射，其中Al被Ga取代。结果发现，即使对于加热至 300 °C 的样品，Ga-X（X = Ca、Ga、S、O）相关性也与 6 Å 范围内的钙矾石晶体结构一致。这意味着即使加热至 300 °C，作为 Ga-钙矾石骨架结构的 Ca-Ga-O1D 棒模块仍保持有序。他们还发现水合磷酸铁（蓝色铁矿）表现出类似的“晶体塌陷”，同时保持其水合二维模块结构。