水化硅酸鈣的原子模擬和性能設(shè)計.pdf

1、水化硅酸鈣(Calcium-Silicate-Hydrates，簡稱C-S-H)是硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物，對水泥混凝土的強(qiáng)度和耐久性有著重要影響，因此一直以來都是水泥基材料領(lǐng)域的研究重點(diǎn)。水化硅酸鈣因其在常溫下無定形態(tài)的結(jié)構(gòu)，使得人們對其分子結(jié)構(gòu)仍無定論，只局限于研究一系列與水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)相似度較高的天然礦物，如托貝莫來石(Tobermorite)和尖乃石(Jennite)。以此為依據(jù)，本文以類C-S-H硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，建立了

2、水化硅酸鈣的相關(guān)模型，依據(jù)第一性原理和分子動力學(xué)方法系統(tǒng)研究了水化硅酸鈣的各種物理化學(xué)性質(zhì)，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個方面對水化硅酸鈣的結(jié)構(gòu)、力學(xué)、動力學(xué)特性進(jìn)行了多層次、多尺度分析與驗(yàn)證。
　　基于密度泛函理論，對尖乃石和不同層間距的托貝莫來石結(jié)構(gòu)(9(A)、11(A)、14(A))進(jìn)行第一性原理計算，首次使用了非局域性范德華力作用進(jìn)行類C-S-H硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明，尖乃石和9(A)、11(A)、14(A)托貝莫來石結(jié)構(gòu)的力學(xué)

3、性能參數(shù)雖與C-S-H凝膠的實(shí)測值有所偏差，但其晶胞參數(shù)、體積模量、剪切模量、楊氏模量等計算結(jié)果與其他研究者對于各體系的理論計算或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)吻合較好。
　　基于分子動力學(xué)方法，對9(A)、11(A)、14(A)托貝莫來石結(jié)構(gòu)進(jìn)行分子尺度模擬，探討其納米尺度結(jié)構(gòu)及力學(xué)動力學(xué)特性。結(jié)果表明，動力學(xué)運(yùn)算之后各結(jié)構(gòu)趨向于玻璃態(tài)的無定形結(jié)構(gòu)而非規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。層間距及水分含量對模擬體系中的硅鈣原子的局域結(jié)構(gòu)有重要影響。
　　通過分子動力

4、學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬構(gòu)建出無定形態(tài)的C-S-H凝膠模型，并對所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)與其他研究者的計算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對比驗(yàn)證。通過控制水含量構(gòu)建出不同干燥程度的C-S-H凝膠模型。結(jié)果表明水分子的浸入會導(dǎo)致C-S-H凝膠z方向長度顯著變化。飽和C-S-H凝膠中不同原子的運(yùn)動能力Si＜Ca≤O＜H。隨著H2O/Si的升高，C-S-H從類似于玻璃的無定形態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦佑行虻膶訝罱Y(jié)構(gòu)。
　　實(shí)驗(yàn)上，應(yīng)用溶液反應(yīng)法和C3S水化法制備水化硅酸鈣，

5、并對其進(jìn)行多種方法的表征。研究表明溶液反應(yīng)法制備的C-S-H均由較為疏松的片狀顆粒堆疊而成，而水化合成法制備的C-S-H的形貌為針棒狀。且隨著鈣硅比的增加，C-S-H聚合程度下降。根據(jù)透射電鏡圖像，C-S-H樣品為半結(jié)晶態(tài)，通過統(tǒng)計條紋寬度證明C-S-H為半結(jié)晶態(tài)11(A)托貝莫來石。
　　本論文的研究內(nèi)容可以增進(jìn)在納觀、微觀尺度上對水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)特性的理解，同時也進(jìn)一步豐富了第一性原理計算和分子模擬的應(yīng)用領(lǐng)域。在目前水泥基材料的