钙矾石是水泥混凝土中的重要水化产物,对水泥早期性能和强度发展至关重要,此外,其还是一种潜在的经济性良好的重金属离子固化剂。但钙矾石结构复杂,其形成过程和稳定性对环境十分敏感,而且对不同重金属离子的固化机理相距甚远,这些隐藏在背后的规律仍然是一个未解之谜。研究重金属离子对钙矾石形成和稳定性的影响及重金属离子掺杂前后钙矾石结构的变化,对钙矾石的功能化应用具有重大意义。本文通过化学合成重金属离子掺杂型钙矾石,结合第一性原理计算和分子动力学模拟,深入探讨了Fe3+和Pb2+在钙矾石晶体中的固化行为,揭示了重金属溶液环境对钙矾石晶体形成的影响机理,探明了钙矾石去除重金属离子的耦合机制。本文进行的主要工作及取得的创新性成果如下:（1）探明了Fe3+对钙矾石形成的影响机制。与C3A相比,C4AF与石膏的反应由于Fe3+的存在,在高温下诱导了AFm相的生成,但这种Fe掺杂AFm相不稳定,易向AFt转化。为了进一步研究Fe对钙矾石形成过程的影响,采用了溶液法合成钙矾石,结果表明低浓度Fe3+促进钙矾石晶体的生长,浓度过高则抑制钙矾石形成,转而形成AFm相。Al（OH）63-易于参与钙矾石的成核而Fe（OH）63-则倾向于形成AFm。分子动力学模拟结果表明,低浓度的Fe3+对Al3+的取代增加了钙矾石（001）晶面的表面能,而高浓度的Fe@Al钙矾石从能量角度而言不利于形成。热力学性质计算结果表明Al-AFt（Fe-AFm）稳定性高于Fe-AFt（Al-AFm）,且含铁相对于温度的变化更敏感。（2）揭示了Pb2+环境对钙矾石的形成、结构及稳定性的各方面影响。我们利用第一性原理计算证实了Pb对钙矾石中Ca2位点取代的倾向,但是缺陷形成能的计算结果表明该过程较难进行,实验中也发现只有Ca2+摩尔浓度远高于Pb2+时才能促使Pb固溶进入钙矾石晶格,固化阈值约为30%(n Pb/n Ca+Pb)。Pb2+的引入会抑制钙矾石的成核过程,导致晶体尺寸变小。此外,由于Pb-（OH-Al）键比Ca-（OH-Al）键更强（费米能级附近Pb的6s/5p轨道态密度与羟基中O原子2p轨道态密度峰型共振）,导致了Pb掺杂钙矾石结构中Al-OH键的减弱,同时,Pb与结构水分子键较弱的相互作用力降低了钙矾石晶体的热稳定性。（3）阐明了钙矾石对Pb2+的去除能力及耦合机制。钙矾石溶出OH-能提高溶液p H至10.5从而沉淀Pb2+,该机制的去除量占总体去除量的40-60%,此外,钙矾石溶解-再结晶的过程中也会诱导溶液中Pb2+参与晶体构成,该过程导致了钙矾石（010）晶面间距的增大。溶液中硝酸根离子的降低可能的由于晶体的表面吸附作用或结构重构过程中对硫酸根位点的占据。利用分子动力学模拟了钙矾石（010）表面对溶液中Pb2+的吸附过程,结果表明Pb2+能够吸附于距晶体表面硫酸根基团2.6（?）处,该距离证实了Pb2+与硫酸根基团的成键行为,然而,吸附能计算结果表明吸附机制对整个去除过程的贡献较小。虽然带正电的铝柱也能对溶液中的阴离子进行吸附,但并未观察到阴离子取代结构中硫酸根基团的现象发生。