碳酸钠与硅酸钠促进钙蒙脱石稳定化的机制：成核作用、稳定性调控及亲水性研究

这篇研究通过扫描电镜(SEM)和密度泛函理论(DFT)揭示了Na2CO3和Na2SiO3在钙基稳定剂-蒙脱石体系中的协同作用机制。研究发现SiO32-和CO32-在蒙脱石表面表现出显著吸附优势（-8.7 eV和-6.8 eV），通过形成CaSiO3/CaCO3网络结构增强界面稳定性，同时将水分子吸附能从-3.1 eV降至-1.1~-2.5 eV，为土壤稳定化和CO2封存提供了原子尺度理论依据。

　　

1 引言

粘土矿物因其层状结构和离子交换能力在环境修复与土木工程中具有重要应用价值。蒙脱石作为典型2:1型黏土矿物，其高亲水性和膨胀特性导致工程性质不稳定。传统钙基稳定剂（石灰/水泥）通过离子交换和胶结反应改善土壤性能，而添加微量Na₂CO₃和Na₂SiO₃可使稳定土7天无侧限抗压强度提升34.5%，但微观机制尚未明确。

2 材料与计算方法

研究采用贫黏土（蒙脱石含量>60%）与钙基稳定剂B2（水泥:石灰:粉煤灰=4:2:1）混合，通过改良普氏击实试验确定最佳含水率（15%）。采用FEI Quanta 650 FEG环境扫描电镜观察微观形貌，并利用CP2K软件进行DFT计算，采用PBE泛函和DZVP基组，电子密度截断能设为400 Ry。

3 结果与讨论

3.1 强度与微观形貌特征

SEM显示添加Na₂CO₃/Na₂SiO₃后，土壤孔隙被纤维状胶凝物质（推测为C-S-H）和针状晶体（CaCO₃）填充，验证了化学反应方程式Ca(OH)₂+Na₂SiO₃→CaSiO₃↓+2NaOH的产物形成。

3.2 离子吸附特性

DFT计算表明：

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  交换层吸附：SiO₃^2-（-6.2 eV）>CO₃^2-（-5.1 eV）>>Na⁺（-2.3 eV）>Ca²⁺（-1.9 eV）

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  表面吸附：SiO₃^2-（-8.7 eV）通过Si-O键（185 pm）和Ca-O键（216 pm）双重配位，形成比CO₃^2-更稳定的网络结构。

3.3 亲水性调控

水分子在原始蒙脱石表面优先解离吸附（-3.1 eV），而Ca²⁺/SiO₃^2-修饰后吸附能降至-1.1 eV。差分电荷密度图显示SiO₃^2-吸附引起电子云重分布（黄色区域电子积累达0.93|e|），有效阻断水分子氢键形成。

3.5 与碱处理的对比

OH^-仅通过氢键（251 pm）吸附，其稳定性（-6.5 eV）低于SiO₃^2-，印证了石灰单独处理强度较低的现象。

3.7 机制模型

提出"表面优先成核"理论：自由Ca²⁺与SiO₃^2-/CO₃^2-在蒙脱石表面形成三维网络，而非传统认知的层间离子交换，这种空间阻隔效应是降低亲水性的关键。

4 结论

研究阐明了Na₂CO₃/Na₂SiO₃通过促进表面成核（而非层间反应）增强钙基稳定土性能的原子尺度机制，为设计新型土壤改良剂提供了理论指导，在CO₂封存盖层材料开发中具有潜在应用价值。