[01210342]基于分子动力学的水化硅铝酸钙微结构和性能研究

一、课题来源与背景 本课题来源于国家自然科学基金。随着“一带一路”国家重大战略的推进,我国土木工程建设渐入高潮、方兴未艾。混凝土材料作为上述基础设施建设的主体材料,用量在近20年快速增加,目前我国每年混凝土的用量达到70亿吨,高居世界第一。同时,以跨海大桥、高速铁路、核电工程和超高层建筑等为代表的现代结构对混凝土材料的安全性、耐久性和功能性提出了更高的要求。而在现代混凝土材料的组分中,水泥基胶凝材料起到将粗细骨料等其他组分固结在一起的作用。胶凝材料在水化过程中形成的水化产物和微结构是混凝土材料最基本的组成单元,是混凝土各项宏观性能的源泉。微结构的研究在根本上决定着水泥混凝土结构的服役和耐久性能。 二、研究目的与意义 一般来说,普通硅酸盐水泥的主要水化产物是水化硅酸钙（C-S-H）。而水化硅铝酸钙（C-A-S-H）是硅酸盐水泥同富含铝相的矿物掺和料如高炉矿渣等水化反应的主要产物。一方面,C-A-S-H具备优良的耐久性和改善混凝土的服役性能的能力。铝相的加入可以有效的改善传统的硅酸盐水泥粘结相C-S-H凝胶的化学稳定性、力学特性和传输特性,从而提高传统水泥硬化体的耐久性。另一方面,矿物掺合料同水泥水化产物二次反应产生C-A-S-H的协同作用进一步发展了“环境友好型混凝土”的概念。随着全社会对于可持续发展的重视,基础设施的可持续发展被摆到了前所未有的高度。“绿色混凝土”或“环境友好型混凝土”强调水泥的设计既要考虑到传统的强度、耐久性的因素,同时也要满足可持续发展的要求。基于上述两方面的原因,开展C-A-S-H的基础研究意义重大。 对于C-A-S-H微结构的研究在材料耐久性的基础研究中起着尤为关键的作用。胶凝材料浆体的微结构决定着水泥混凝土的力学性能和传输性能,从根本上决定着水泥混凝土结构的服役和耐久性能。C-A-S-H的分子结构是现代多组分水泥基材料微结构的最基本组成单元,同时也是粘聚力的源泉。分子模型的建立可以从根本上解码水泥的破坏机理,离子吸附的化学本质,收缩和徐变的特征以及力学性能,从而为多尺度的水泥模型提供重要的理论依据。而掺加铝相对水泥微结构和性能影响规律的阐明也将为高性能水泥基材料的设计铺平道路。 三、主要论点与论据 （1）水化硅铝酸钙微结构的形成与演变。通过合成纯水化硅铝酸钙凝胶和胶凝浆体,并系统采用X射线衍射、红外测试、核磁共振等先进测试技术表征了材料的微观结构特征,探明了水化硅铝酸钙凝胶的微观结构形成与演变的规律,为分子动力学模型的构建提供了实验依据。 （2）基于反应场分子动力学水化硅铝酸钙的模型构建与校验。构建了不同化学组成（Ca/Si和Al/Si）的水化硅铝酸钙模型,通过分子动力学模拟水化硅酸钙结构中水分子水解、硅铝氧链断裂和聚合反应,得到处于化学平衡态的水化硅铝酸钙,并将得到的水化硅酸钙结构与实验测试结果作对比,进行结构和力学性能的校验。 （3）水化硅铝酸钙微观分子结构的调控。在上述水化硅（铝）酸钙模型基础上,研究组成和结构对水化硅铝酸钙动力学特性和力学性能的影响规律,揭示通过调控水化硅铝酸钙分子结构以提升其性能的方法,从而提出分子尺度上的水泥基材料设计与调控方法。 （4）基于分子动力学水化硅铝酸钙界面吸附特性研究。采用分子动力学的计算方法,构建了水化硅铝酸钙与溶液的界面模型,系统的研究了水分和离子在水化产物凝胶孔道中的水化结构、动力学与界面作用,揭示了界面吸附水分子的分层排布特性、氢键强化特性、偶极矩的强化效应,探明了受限孔道中离子和水分子动力学特性弱化的机理。 四、创见与创新 1.将反应力场的分子动力学应用到含有铝相水泥凝胶的分子模拟。 2.提出了分子动力学（MD）和蒙特卡洛（MC）结合的方法搭建水化硅铝酸钙的分子模型。 3.提出不同钙铝（硅）比,含水量和孔径结构的可变水化硅铝酸钙模型。 五、社会经济效益,存在的问题 基于分子动力学理论提出矿物掺和料的微结构设计与调控准则,用于指导海洋环境混凝土的耐久性设计,研究成果应用与虎门大桥的大体积桥墩与青岛地铁混凝土工程的材料设计,协同提升了材料的抗裂性与抗侵蚀性。 六、历年获奖情况 1.研究成果“滨海严酷环境长寿命混凝土设计、制备与应用关键技术”获山东省科技进步二等奖 2.“基于分子动力学理论混凝土材料微结构调控与性能提升”获山东省教育厅自然科学一等奖 3.“水泥胶凝材料的分子结构与纳米优化”获建材联合会基础研究类二等奖。