- 文献综述（或调研报告）：
1 引言
混凝土是当今社会广泛应用的建筑材料，其胶凝材料——水泥的产量非常庞大，水泥需求量逐年增加，其在生产过程中产生很多有害的污染物，如二氧化硫、氮氧化物、氟化物、一氧化碳、二氧化碳及其他粉尘等，其中二氧化碳的排放量尤为严重，约占全球总排放量的8%~10% [1-2]。为减少由水泥生产对环境产生的影响，如何改善水泥性能及其生产工艺是研究人员亟待解决的问题。
近年来，纳米科学的发展日新月异，其作为一项新兴的研究对象被应用于各个领域。同时，纳米科技也给建筑材料带来了新的发展和突破[3]。纳米材料的体积效应、表面效应、量子尺寸效应、宏观量子隧道效应等特性使其在建筑材料中的应用成为可能[6]。目前，纳米技术在在建筑材料中的应用主要包括两方面，其一是利用纳米技术观察和分析水泥基材料在纳观尺度的基本现象；其二是利用纳米技术在纳观尺度对水泥基材料的微观结构进行改性，改善水泥基材料的性能[7]。
近几年，许多研究者围绕纳米改性，在水泥基材料中掺入一定量的纳米颗粒，来研究它们对水泥基材料的工作性，耐久性，力学性能等方面的影响[8]。这些纳米颗粒主要有纳米SiO2[9]、纳米TiO2[10]、纳米CaCO3[11]、纳米Fe2O3[12]、纳米Al2O3[13]、纳米ZnO2[14]、纳米粘土[15]和碳纳米管[16]（石墨烯[17]）等。其中，研究较为广泛的是纳米SiO2颗粒和纳米TiO2颗粒对水泥基材料性能的影响。
众多研究表明，纳米颗粒可以显著提高水泥基材料的各项性能，其在水泥基材料中起作用的机理可归结为：（1）晶核效应（seeding effect）：纳米颗粒具有较大的比表面积，可为水化产物提供大量的成核附着点，促进水化；（2）填充效应（filling effect）：纳米颗粒可填充水泥基材料中的微孔结构，使其更密实；(3)火山灰效应（pozzolanic effect）：具有火山灰活性的纳米颗粒消耗水泥水化产物Ca(OH)2（CH）生成C-S-H凝胶，减少微观缺陷，使水化产物更均匀致密[18-19]。
纳米颗粒的团聚现象是阻碍其应用的重大难题和挑战，纳米颗粒的分散特性是在改善水泥基材料性能中的关键因素[7,18]。目前，主要有物理方法和化学方法来解决这一问题。Bagheri A[20]等人利用超声方法对水溶液中的纳米颗粒进行分散，分散效果良好；在纳米颗粒表面枝接聚合物的表面改性方法效果更优，得到很多认可[7,18,20]。
现阶段，利用纳米改性的方法对水泥基材料性能的研究主要集中在有利方面，对不利因素的探究尚少，一些研究表明，一些纳米颗粒虽然能提高水泥基材料的早期性能，但对后期性能有不利的影响[22]。目前，纳米颗粒对水泥基材料后期力学性能影响的发展规律以及纳米颗粒的最佳掺量还存在一些争议。对于纳米颗粒和粉煤灰、硅灰、矿渣等矿物掺合料的复掺对水泥基材料的影响规律研究仍然不足。
虽然，纳米科学的研究和发展已经相对成熟，但是其在水泥基材料中的应用尚不完善，尤其是纳米颗粒的分散问题，因此对纳米颗粒进行表面改性使其达到合适的分散特性，进而研究其对水泥基材料性能的影响具有重要意义。
2 水泥水化
水泥水化模型通常是水化产物成核-结晶过程的动力学模型。根据经典理论，水泥水化过程可分为五个过程（如图1），即初始反应期、诱导期、加速期、减速期、下降期。初始水化过程具有较高的水化热，这是源于水泥的快速溶解；诱导期的水化速率相对较低，目前诱导期的水化机理尚存在争议，相比于传统的阻挡层理论，地质学溶解理论更合理；加速期的水化热明显提高，主要由于C-S-H凝胶的成核的生长。其中图1中C点是一肩峰，肩峰的形成是Aft向AFm转化的结果。对于减速期，通常上认为水泥水化过渡到扩散控制是该时期减速的原因，最近有人提出水泥水化产物的生成减少了成核和生长所需要的场所。最后，水化进入下降期，由于物质在硬化结构中扩散导致活性降低，水化速率逐渐接近于零。
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