水化硅酸钙的原子模拟和性能设计

发布时间：2019-11-11 23:46

【摘要】：水化硅酸钙(Calcium-Silicate-Hydrates,简称C-S-H)是硅酸盐水泥的主要水化产物,对水泥混凝土的强度和耐久性有着重要影响,因此一直以来都是水泥基材料领域的研究重点。水化硅酸钙因其在常温下无定形态的结构,使得人们对其分子结构仍无定论,只局限于研究一系列与水化硅酸钙结构相似度较高的天然矿物,如托贝莫来石(Tobermorite)和尖乃石(Jennite)。以此为依据,本文以类C-S-H硅酸盐晶体结构为出发点,建立了水化硅酸钙的相关模型,依据第一性原理和分子动力学方法系统研究了水化硅酸钙的各种物理化学性质,从理论和实验两个方面对水化硅酸钙的结构、力学、动力学特性进行了多层次、多尺度分析与验证。基于密度泛函理论,对尖乃石和不同层间距的托贝莫来石结构(9A、11 A、14A)进行第一性原理计算,首次使用了非局域性范德华力作用进行类C-S-H硅酸盐晶体的结构优化。结果表明,尖乃石和9A、11A、14A托贝莫来石结构的力学性能参数虽与C-S-H凝胶的实测值有所偏差,但其晶胞参数、体积模量、剪切模量、杨氏模量等计算结果与其他研究者对于各体系的理论计算或实验数据吻合较好。基于分子动力学方法,对9A、11A、14A托贝莫来石结构进行分子尺度模拟,探讨其纳米尺度结构及力学动力学特性。结果表明,动力学运算之后各结构趋向于玻璃态的无定形结构而非规则的晶体结构。层间距及水分含量对模拟体系中的硅钙原子的局域结构有重要影响。通过分子动力学模拟和蒙特卡罗模拟构建出无定形态的C-S-H凝胶模型,并对所构建的结构与其他研究者的计算和实验结果进行对比验证。通过控制水含量构建出不同干燥程度的C-S-H凝胶模型。结果表明水分子的浸入会导致C-S-H凝胶z方向长度显著变化。饱和C-S-H凝胶中不同原子的运动能力SiCa ≤ OH。随着H2O/Si的升高,C-S-H从类似于玻璃的无定形态结构逐渐转变为更加有序的层状结构。实验上,应用溶液反应法和C3S水化法制备水化硅酸钙,并对其进行多种方法的表征。研究表明溶液反应法制备的C-S-H均由较为疏松的片状颗粒堆叠而成,而水化合成法制备的C-S-H的形貌为针棒状。且随着钙硅比的增加,C-S-H聚合程度下降。根据透射电镜图像,C-S-H样品为半结晶态,通过统计条纹宽度证明C-S-H为半结晶态11A托贝莫来石。本论文的研究内容可以增进在纳观、微观尺度上对水化硅酸钙结构特性的理解,同时也进一步丰富了第一性原理计算和分子模拟的应用领域。在目前水泥基材料的原子模拟研究仍较为缺乏的情况下,这一领域在未来必将有更大的发展空间。
【图文】：

料性能往往是混凝土建筑设计时考虑的主要因素，如抗压强度、弹性模量、热膨胀系数逡逑等。在此宏观尺度上，水泥水化的产物可以被认为是均质的，具有整体的物理和化学特逡逑性。事实上，如图１．１所示，混凝土是一种粗骨料、细骨料随机分散在水泥硬化浆体基逡逑质中的复合材料。各种毫米大小的＾＾、水化产物和未反应的熟料颗粒也构成了混凝土的逡逑非均质外观。当在宏观尺度上考虑工程设计时，可以假定混凝土具有均质特性。然而，逡逑由于外加剂、矿物掺合料或水化过程造成的微米尺度的非均质孔，，会降低混凝土的密度逡逑并且影响其力学性能。逡逑硬化的水泥浆体是微米尺度的未水化水泥颗粒和水化产物的非均质复合材料，其中逡逑水化产物包括氢氧化钙、ＡＦｍ相以及低结晶度的Ｃ－Ｓ－Ｈ。把水和波特兰水泥混合，Ｃ－Ｓ－Ｈ逡逑就会析出，成为混凝土的主要粘结相。在不同的水泥水化产物中，Ｃ－Ｓ－Ｈ凝胶占总产物逡逑体积的６０％以上。Ｃ－Ｓ－Ｈ的结构被描述为麦穗装、针棒状、薄膜状、纤维状和片层状［２－逡逑４］，这些形态受水灰比、水化阶段、．养护方式等因素影响［５￣７］。逡逑１逡逑

第１章绪论逡逑Ｍ逡逑图１．３邋（ａ）硬化Ｃ３Ｓ浆体中Ｃ－Ｓ－Ｈ的内部水化产物和外部水化产物ＴＥＭ图像，白色箭头所指为Ｉｐ－Ｏｐ逡逑边界。（ｂ）Ｃ－Ｓ－Ｈ的内部水化产物的局部放大图。（ｃ）Ｃ－Ｓ－Ｈ的纤维状外部水化产物的局部放大图。逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．３邋（ａ）邋Ｉｎｎｅｒ邋ａｎｄ邋ｏｕｔｅｒ邋ｐｒｏｄｕｃｔｓ邋ｏｆ邋ｈａｒｄｅｎｅｄ邋Ｃ３Ｓ邋ｓｌｕｒｒｙ邋ｏｂｔａｉｎｅｄ邋ｂｙ邋ＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ，邋ｔｈｅ邋ｗｈｉｔｅ邋ａｒｒｏｗｓ邋ｒｅｆｅｒ逡逑ｔｏ邋ｔｈｅ邋Ｉｐ－Ｏｐ邋ｂｏｕｎｄａｒｙ，邋（ｂ）邋ａ邋ｐａｒｔｉａｌ邋ｅｎｌａｒｇｅｄ邋ｖｉｅｗ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｉｎｔｅｒｎａｌ邋ｐｒｏｄｕｃｔ邋ｏｆ邋Ｃ－Ｓ－Ｈ．邋（ｃ）邋ａ邋ｐａｒｔｉａｌ邋ｅｎｌａｒｇｅｄ邋ｖｉｅｗ逡逑ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｆｉｂｒｏｕｓ邋ｏｕｔｅｒ邋ｐｒｏｄｕｃｔ邋ｏｆ邋Ｃ－Ｓ－Ｈ．邋［３４】逡逑媝W逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图丨．４邋（ａ）超高性能混凝土在９０°Ｃ下养护２４ｈ后浆体中的Ｃ－Ｓ－Ｈ基体ＨＲＴＥＭ图像。（ｂ）—个ＯＰＣ逡逑在环境ＴＥＭ相对湿度７０％下Ｃ－Ｓ－Ｈ的ＨＲＴＥＭ图像＾丨４２】逡逑Ｆｉｇｕｒｅ邋１．４邋ａｂｏｖｅ：邋ＨＲＴＥＭ邋ｉｍａｇｅｓ邋ｏｆ邋Ｃ－Ｓ－Ｈ邋ｍａｔｒｉｘ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｓｌｕｒｒｙ邋ｏｆ邋ｕｌｔｒａ－ｈｉｇｈ邋ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ邋ｃｏｎｃｒｅｔｅ逡逑ｃｕｒｉｎｇ邋ａｔ邋９０邋°邋Ｃ邋ｆｏｒ邋２４邋ｌｉ．邋Ｔｈｅ邋ｆｏｌｌｏｗｉｎｇ邋ｆｉｇｕｒｅ邋ｓｈｏｗｓ邋ａｎ邋ＨＲＴＥＭ邋ｉｍａｇｅ邋ｏｆ邋Ｃ－Ｓ－Ｈ邋ａｔ邋ａｎ邋ａｍｂｉｅｎｔ邋ＴＥＭ逡逑~枱滃义希板危担埃板

本文编号：2559484