ZIF-67粒径与掺量对水泥基材料力学性能及微观结构的协同调控机制研究

为解决水泥基材料(CBMs)高脆性、低耐久性及高碳排放问题，研究人员通过调控ZIF-67（沸石咪唑酯骨架材料）的粒径(191/777 nm)与掺量(0.25/0.50 wt%)，系统揭示了其对水泥水化过程、钙氢氧化钙(CH)形貌及孔隙结构的协同增强机制。结果表明，小粒径ZIF-67通过促进C-S-H（水化硅酸钙）成核、优化CH晶体分布，显著提升抗压强度并降低孔隙率，为高性能低碳水泥设计提供新思路。

　　

水泥基材料(CBMs)是全球用量最大的人工建筑材料，但其高脆性、易开裂等缺陷制约了工程应用，同时水泥生产过程中的高能耗与高碳排放（占全球碳排放7%）加剧了环境压力。传统纳米材料（如纳米SiO₂
、碳纳米管）虽能改善性能，但调控手段单一。金属有机框架(MOFs)因其可调的孔隙结构和表面特性成为新兴改性剂，但粒径与掺量的协同作用机制尚未明确。中国建筑材料科学研究总院的研究团队以ZIF-67为模型，通过调控反应物浓度合成191 nm（ZIF-67-1）和777 nm（ZIF-67-2）两种粒径颗粒，系统研究其对CBMs性能的影响，成果发表于《Powder Technology》。

关键技术方法
研究采用溶剂热法合成ZIF-67，通过X射线衍射(XRD)和氮气吸附验证晶体结构与孔隙特性；利用热重分析(TG)测定非蒸发水(NEW)和CH含量；扫描电镜(SEM)观察CH形貌；压汞法(MIP)分析孔隙分布；通过分离CH合成实验阐明ZIF-67对晶体生长的调控作用。

研究结果

1. 流动性影响：ZIF-67降低水泥浆流动性，小粒径样品因比表面积大需水量更高。
2. 力学性能增强：0.50 wt% ZIF-67-1使28天抗压强度提升最显著，归因于其提供更多成核位点加速水化。
3. 微观结构优化：ZIF-67减少大孔（>100 nm）比例，ZIF-67-1组总孔隙率最低（较对照组降低23.6%）。
4. CH形貌调控：ZIF-67诱导CH从棒状转变为片状，小粒径样品使晶体尺寸更均匀。
5. 相容性验证：ZIF-67与水化产物均匀结合，未出现相分离。

结论与意义
该研究首次阐明ZIF-67粒径与掺量对CBMs性能的协同作用：小粒径(191 nm)ZIF-67通过增大界面面积促进水化反应，优化CH分布与孔隙结构，实现力学性能与耐久性的同步提升。这一发现突破了传统纳米材料单一功能局限，为MOFs在低碳水泥设计中的应用提供理论依据。未来可通过定向设计MOFs孔道结构进一步调控C-S-H凝胶形成，推动高性能智能建筑材料发展。