水泥在建筑和基础设施建设领域发挥着极其重要的作用，混凝土的制备离不开水泥。随着可持续建设和绿色建筑的兴起，水泥在减少建筑和基础设施的环境影响方面发挥着重要作用，它为建筑提供了坚固的基础，支持着城市和社会的发展。

图1 水泥的应用

传统水泥是一种主要由石灰石、黏土等矿石经过熟炼制得的胶凝材料，常称为普通硅酸盐水泥。莱斯大学的科学家们研究和理解了水泥在动力学（即物质在时间和空间上的运动和变化）方面的行为和性质，并开发了一种方法，可以“编程”其中微观的半晶粒子，"半晶粒子"（semicrystalline particles）是指具有部分晶体结构和部分非晶体结构的微观颗粒。晶体结构是有序排列的，而非晶体结构则是无序的。半晶粒子的结构介于这两者之间，其中一部分颗粒呈现有序排列，而另一部分则呈现无序排列。这项新研究之所以称为"可编程水泥"，是因为其成功地探索了控制水泥动力学特性的方法，能够使水泥形成特定形状的微观结构。这个过程将水泥中微观尺度下无序的颗粒转化为有序的立方体、球体和其他形状，与单个非立方体对照颗粒相比，单个立方体颗粒的硬度和刚度值分别提高了 650% 和 300%[1]。因此，以这些形状为“种子”可以自下而上制造更强、更耐久的混凝土。

为什么说将无序变得有序是制造“可编程”水泥关键呢？因为，混凝土的强度和耐久性与水泥中的晶体排列和结构密切相关。通过调整水泥的微观结构和化学成分，可以增强混凝土的性能。

图2：微观尺度的立方体水泥微观颗粒

图片来源：莱斯大学多尺度材料实验室

莱斯大学的材料科学家Rouzbeh Shahsavari以及他的研究团队通过大量实验，成功地解析了混凝土中起到粘合作用的钙硅酸盐水化物（Calcium-Silicate-Hydrate,C-S-H）微观级别的结晶过程，该过程也被称为"形态发生"。

C-S-H是水化产物，是水泥颗粒与水反应后形成的凝胶状物质；而混凝土中的颗粒是指混凝土中的骨料颗粒，包括粗骨料和细骨料，是混凝土的主要构成部分之一。C-S-H是混凝土中的一种组成，它填充了颗粒间的孔隙，使得颗粒之间更牢固地连接在一起。混凝土的强度和稳定性在很大程度上取决于C-S-H的含量及性质。

Shahsavari等人首次合成了各种形状的C-S-H颗粒，包括立方体、长方体、树枝状、核壳结构和菱形颗粒，并将它们映射到一个统一的形态学图表中，以供希望从底层设计混凝土的制造商和建筑师使用。C-S-H的基本构建块是链状聚合物，由硅酸四面体和钙离子构成。这些链状聚合物在水泥水化过程中形成，起到连接和包裹水泥中的颗粒的作用。C-S-H基本构建块的形状和大小可以影响水泥胶凝体系的力学性质和微观结构。通过调整水泥的成分和水化条件，可以控制C-S-H基本构建块的形成过程，从而调整水泥的性能和应用特性。如何调整水泥中C-S-H的基本构建块形状、大小，从而使这些构建块能够自动组装成微观结构呢？

虽然研究人员在C-S-H家族的晶体成员(包括硅灰石[2]、硅钙石[3])的形状控制方面取得了显著进展，但对于无定形或结晶性差的晶体成员在形状控制方面进展尚有限，且之前用于在C-S-H中创建有序晶体的技术通常需要高温或高压条件、有机前体（有机化合物作为起始材料）和较长的反应时间，尚无既高效又环保的技术。莱斯大学的实验室采用了一种新的方法。他们通过向C-S-H中添加少量正离子或负离子表面活性剂和硅酸钙，并将混合物暴露在二氧化碳和超声波下，成功地创造出了形状规则的立方体和矩形晶体。这些晶体种子在表面活性剂微胶囊（表面活性剂胶囊是一种微小的胶囊，其外表面包裹着表面活性剂。这些胶囊通常由聚合物、脂质或其他合适的材料制成。表面活性剂是一类具有亲水性（亲水）和疏水性（疏水）区域的化合物，能够在液体中降低表面张力。这种性质使得表面活性剂在形成胶囊结构时可以包裹一些物质，同时保持在液体中的悬浮状态）聚集区域的周围形成，此过程仅需不到25分钟[1]。一旦方解石（方解石是一种常见的矿物，其化学式为CaCO?，即碳酸钙。它通常呈白色、无色或淡色，并在自然界中广泛分布。）“种子”形成，它们会启动周围的分子自组装成体积更大的立方体、球体或其他形状。这些新的形状可以在混凝土中更紧密地堆放，因此相较于传统的无定形颗粒，提高了混凝土的密度和性能。通过仔细调节反应中的前体浓度、温度和持续时间，可以改变最终形成的颗粒的产量、大小和形状。

这一过程实现了所谓的“编程”，并且此方法有望用于制备更坚固和高性能的混凝土，同时实现了混凝土的可定制化设计，使其更符合工程需求，减少浪费，提高性能，同时降低了对资源的过度依赖，从而更具环保性。

图3：a-c立方结构的C-S-H扫描电子显微镜图像[1]

图4：排列有序的C-S-H 扫描电子显微镜图像[1]

《混凝土与水泥制品行业“十四五”发展指南》提出了11个基础科研重点方向,旨在推动混凝土材料的性能和可持续性的提升，通过理论和技术创新解决混凝土领域的挑战。其中研究方向之一为开发水泥各组分水化热力学和及其对水泥水化动力学调控机理，建立水泥、外加剂和性能调节型矿物掺合料组分优化设计理论，实现对混凝土工作性、强度发展、抗裂和耐久性等性能的协同优化[4]。

使用“可编程”水泥有助于提高建筑和基础设施工程的可靠性和可持续性。通过深入研究水泥的动力学行为和采用先进的材料设计方法，我们能够实现对混凝土微观结构的精准调控。这种可编程性使得我们能够优化混凝土的性能，解决混凝土领域一直以来的难题，如裂缝的形成、抗风化性能、以及耐久性等方面的挑战。

“可编程”水泥的引入意味着我们可以根据具体工程需求调整水泥的成分和结构，以实现更高的抗压强度、更低的渗透性以及更长久的使用寿命。这种精准的材料设计不仅有助于提高建筑结构的耐久性，还有助于减少对资源的依赖，从而推动混凝土领域向更为可持续的方向发展。

“可编程”水泥的革新性贡献在于为建筑和基础设施工程提供了更灵活、可定制的材料选择。通过实现混凝土性能的定制化，我们能够更好地适应不同气候和环境条件，从而减轻维护和修复的成本，提高整体工程的可靠性和可持续性。这一技术创新将推动混凝土领域迈向更加智能、绿色和高效的未来。

参考文献：

[1] Sakineh E Moghaddam et al.Morphogenesis of Cement Hydrate, J. Mater. Chem. A,3701–4216(2016).

[2] Lin K, Chang J, Lu J. Synthesis of wollastonite nanowires via hydrothermal microemulsion methods[J]. Materials Letters, 2006, 60(24): 3007-3010.

[3] Wu J, Zhu Y J, Cheng G F, et al. Microwave-assisted preparation of Ca6Si6O17(OH)2 and β-CaSiO3 nanobelts[J]. Materials Research Bulletin, 2010, 45(4): 509-512.

[4] 中国混凝土与水泥制品协会. (2021). 《混凝土与水泥制品行业“十四五”发展指南》