基于分子动力学理论水和离子在掺铝相水泥基材料中的吸附与传输特性研究

发布时间：2020-09-24 07:21

　　混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,其耐久性是确定混凝土结构长期使用性能的基础。而水分和离子在水泥基材料纳米孔道内的传输与吸附是导致混凝土耐久性降低的重要原因。水化硅铝酸钙(CASH)作为掺铝相水泥基材料中主要的水化产物,可以有效的改善传统硅酸盐水泥粘结相水化硅酸钙(CSH)的化学稳定性,力学特性和传输特性。本文利用分子动力学方法对比了CSH与CASH纳米孔内水和离子的吸附与传输特性,从而探究了铝相的影响机理。此外,还对另一种含铝相水化产物钙矾石中水和离子吸附特性进行了研究。主要的内容如下:(1)探究了限制在CSH/CASH纳米孔中水和离子的结构、动力学和界面相互作用。发现和CSH相比,铝氧四面体替代桥接硅氧四面体后的CASH界面附近水分子表现出的特性:更大的堆积密度和偶极矩,排列有序,倾角取向偏一致。CASH表面能够吸附更多的离子,但吸附机理有所不同。(2)探究了水和离子在CSH/CASH纳米孔中的传输行为,结果表明:NaCl溶液在CSH/CASH纳米孔内的非饱和传输曲线满足经典毛细吸附理论Lucas-Washburn方程。与CSH纳米孔中溶液的传输相比,CASH凝胶孔内水分子和离子的迁移更慢。CSH中铝原子的引入可抵制水和离子的侵入。(3)探究了水和离子在重要水化产物钙矾石孔道内的传输与吸附特性。发现钙矾石表面的铝羟基和硫酸根离子能够提供大量的氧原子位点来与溶液水分子形成氢键网络,这使得界面附近水分子表现出明显的特性:高偶极矩,排列有序,良好的角度取向性和缓慢的扩散性。(4)钙矾石界面对阴阳离子都具有较好的吸附能力。钙矾石表层的硫酸根或铝羟基提供了大量的氧原子位点来与钠离子形成稳定的离子键(Na-O_(so4)\Na-O_h),从而达到吸附效果。氯离子的吸附主要是靠表面的阳离子(Ca~(2+)、Na~+)电荷吸引作用来形成离子团簇体。
【学位单位】：青岛理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528
【部分图文】：

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青岛理工大学工程硕士学位论文13图2.1 周期性边界条件下的二维示意图2.1.7 分子动力学计算流程在进行分子动力学模拟时，有以下 5 个重要的步骤：1. 构建合理的结构模型；2. 给定模型的信息（包括初始位置、速度等）；3. 设定时间步长、温度等，根据自己的研究对象选取适当的势函数和系综；4. 建立模拟算法，并计算粒子间的作用力以及粒子的速度，位置；5. 体系平衡之后，通过提取过程信息进行数据分析处理，从而得到宏观物理量。图2.2 模拟流程

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4. 建立模拟算法，并计算粒子间的作用力以及粒子的速度，位置；5. 体系平衡之后，通过提取过程信息进行数据分析处理，从而得到宏观物理量。图2.2 模拟流程

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d，两个向量之间的夹角定义为偶极角（dipole angle）。图2.3 水分子取向示意图氢键网络是描述水分子与钙矾石界面相互作用非常重要的参数。如图 2.4 所示，形成氢键需满足两个条件：一是相邻水分子氧原子与氢原子之间的距离小于2.45 ；二是相邻水分子氧氧之间的连线与供体水分子氧氢键的夹角小于 30 。若这两个条件都满足，则提供氢原子来形成氢键的水分子被称为供体（donator），而提供氧原子的水分子称为受体（acceptor）。体系中一般存在两大类氢键：一类是水分子间的氢键联系，主要存在于纳米孔中；另一类是水分子与结构原子之间的氢键作用，主要存在于结构层间或界面附近。

【参考文献】