基于分子动力学的水化硅酸钙的微结构与性能研究

发布时间：2020-07-13 09:54

【摘要】：作为普通波特兰水泥最主要的水化产物,水化硅酸钙(C-S-H)凝胶的微结构与性能很大程度上决定着被广泛使用的水泥基材料的服役效果与寿命。水化硅酸钙凝胶在微纳尺度的结构至今仍未被完全解析,而现代社会的快速发展又亟需低能耗与高性能兼备的土木工程材料。因此,本文利用分子动力学模拟与试验相结合的手段,首先表征了水化硅酸钙凝胶在微纳尺度上的基本结构与力学性能,继而从增强其耐久性角度出发,探究了氯离子在其孔溶液中的传输与吸附行为,从增强其力学性能角度出发,研究了其与聚合物的界面交互作用与连结,最后解析了无机C-S-H凝胶/有机聚合物复合体系的微结构特性与性能提升机理,主要结论归纳如下:1)C-S-H凝胶拥有鲜明的多尺度特性:其微观尺度上的形貌和力学特性分别由钙硅比与颗粒堆积密度决定;纳观尺度上,其结晶性较差,原子排列短程有序,长程无序,层间结构明显;分子尺度上,其由交替排布的钙硅层构成,邻层间分布着水分子及其解离形成的钙、硅羟基官能团。在单轴拉伸过程中,若强度较低的(6?离子键被拉长以承担应变,则C-S-H发生脆性断裂;若Si-O-Si共价键参与反应,则C-S-H呈现较强的延展性。2)C-S-H凝胶表面的钙离子聚集程度对于其氯离子吸附性能影响显著。当C-SH凝胶表面钙硅比较高时,通道区内的非桥接氧原子数目及有效空间均得以增大,通过静电作用吸引了更多的来自溶液中的钙离子,而被牢固束缚在界面处的钙离子继而通过形成离子团簇的方式吸引了更多的氯离子聚集在表面,越接近通道区,氯离子的扩散系数越低。3)在C-S-H凝胶/聚合物界面,聚合物官能团的极性以及聚合物大分子的扩散与聚合特性决定了其与C-S-H基体间的亲和力。聚丙烯酸(PAA)由于其官能团羧基的高极性而紧密吸附在C-S-H凝胶表面,聚乙烯醇(PVA)中的羟基官能团极性虽高,但由于PVA分子间较大的聚合倾向,使之无法稳定地吸附在C-S-H凝胶表面。聚乙二醇(PEG)的官能团C-O-C极性最差,因而PEG分子链多呈平直态自由扩散。4)分子模拟证明,聚合物的插层可显著提升C-S-H基体的延展性;在实际C-SH/聚合物复合体系中,PAA和PVA的存在扰乱了C-S-H凝胶中钙硅层的有序堆积,改变了硅链的平均长度,可推测其多吸附在C-S-H凝胶表面或层间的缺陷处;而PEG分子的插层概率则较低,其更可能存在于C-S-H凝胶颗粒之间的孔隙中,但由于C-S-H凝胶较小的颗粒尺寸以及与PEG分子特殊的位向关系,基体的抗压刚度的得以提高,徐变模量也维持在较高水平。综上所述,本文通过在微观、介观以及纳观尺度上对水化硅酸钙凝胶微结构与性能的研究,解析了C-S-H凝胶的氯离子吸附机理、C-S-H凝胶/聚合物的界面连结机理、C-S-H凝胶/聚合物复合体系的性能提升机理,可分别为海洋工程混凝土配合比的设计、外加剂分子官能团的选择、高性能水泥基复合材料的制备等提供理论依据和方法指导。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：O648.17
【图文】：

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破坏、失效甚至崩塌。在此过程中，氯离子在混凝土中尤其是 C-S-H 凝胶孔溶液中的传输过程显著影响着整个结构的耐久性，因此，本文第二部分研究了氯离子在 C-S-H 凝胶孔溶液中的传输与吸附性能。混凝土在承受拉伸、弯曲荷载时易发生脆性破坏，而众多研究6 10表明，通过有机聚合物的掺加，无机水泥基材料的韧性有效提升；另一方面，水化硅酸钙凝胶作为波特兰水泥的主要水化产物，决定着硬化水泥浆体的力学性能。因此，为探索聚合物材料的微观增韧机理，从根本上解决水泥混凝土的脆性问题，对于C-S-H 凝胶/聚合物二元体系的研究尤为必要。由于两种材料均具有鲜明的纳观尺度特性，本文第三、四部分的研究主要针对 C-S-H 凝胶/聚合物纳观复合体系，包括两方面内容，首先讨论了含有不同官能团的聚合物与 C-S-H 凝胶表面的亲和性及其界面交互作用，继而深入解析了 C-S-H 凝胶/聚合物复合体系中微结构与力学性能提升之间的关系。

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东南大学博士学位论文释压力荷载下的徐变现象、C-S-H 凝胶纳米孔中水分流失所导致的干燥。同时，对比上述的“F-S”模型，“Munich”模型未能提及 C-S-H 凝胶中布。

模型图,模型

修正“F-S”模型

【参考文献】