水化硅酸鈣的原子模擬和性能設計.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域的研究重點。水化硅酸鈣因其在常溫下無定形態(tài)的結構，使得人們對其分子結構仍無定論，只局限于研究一系列與水化硅酸鈣結構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硅酸鹽晶體結構為出發(fā)點，建立了

2、水化硅酸鈣的相關模型，依據(jù)第一性原理和分子動力學方法系統(tǒng)研究了水化硅酸鈣的各種物理化學性質，從理論和實驗兩個方面對水化硅酸鈣的結構、力學、動力學特性進行了多層次、多尺度分析與驗證。
　　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構(9(A)、11(A)、14(A))進行第一性原理計算，首次使用了非局域性范德華力作用進行類C-S-H硅酸鹽晶體的結構優(yōu)化。結果表明，尖乃石和9(A)、11(A)、14(A)托貝莫來石結構的力學

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

4、學模擬和蒙特卡羅模擬構建出無定形態(tài)的C-S-H凝膠模型，并對所構建的結構與其他研究者的計算和實驗結果進行對比驗證。通過控制水含量構建出不同干燥程度的C-S-H凝膠模型。結果表明水分子的浸入會導致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)結構逐漸轉變?yōu)楦佑行虻膶訝罱Y構。
　　實驗上，應用溶液反應法和C3S水化法制備水化硅酸鈣，

5、并對其進行多種方法的表征。研究表明溶液反應法制備的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樣品為半結晶態(tài)，通過統(tǒng)計條紋寬度證明C-S-H為半結晶態(tài)11(A)托貝莫來石。
　　本論文的研究內容可以增進在納觀、微觀尺度上對水化硅酸鈣結構特性的理解，同時也進一步豐富了第一性原理計算和分子模擬的應用領域。在目前水泥基材料的