csh凝胶结构特性分子模拟的研究

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1、摘要C．S．H凝胶作为水泥水化过程中最主要的产物之一，它对水泥基材料的微观结构和宏观性能有着重要影响。虽然C．S．H凝胶的组成、结构和性质已经得到广泛的研究，但由于其颗粒细小、组成不确定、无定形态等特性，使得人们至今无法准确地获得C—S．H凝胶的全面信息。采用先进的测试手段和计算机模拟方法对C．s．H凝胶的微观结构进行有效表征，多尺度探究其性能与结构之间的关系，这不仅仅具有极为重要的理论价值，而且对于开发高性能混凝土材料具有很强的指导意义。本文将依据先进测试手段获得的结构参数，构建起相应的初始模型，借鉴玻璃生产所采用的退火工艺，通过计算机模拟技术模

2、拟这一工艺，以最终制得无定形态的C．S．H凝胶。径向分布函数、均方根位移、配位数等结构参数被用来探讨不同体系的结构特性，并系统分析了不同形态(晶态、液态、非晶态)和钙硅比变化对结构的影响。此外，通过将本文计算所得各研究体系的杨氏模量、体积模量、剪切模量、泊松比等机械性能参数与实验数据进行对比，以从宏观性能方面验证所得体系的相关性。有关研究结果表明：(1)作为C—S．H凝胶的结构类似物，9ATobermorite、llATobermorite、14ATobermorite和Jennite可作为C．S．H凝胶结构特性模拟和表征的初始结构，并能够取得不错

3、的效果。(2)经退火工艺处理后，初始结构发生明显变化。虽然硅氧四面体依然作为各体系的基本单位而存在，但彼此间的连接方式已发生变化，原本的长链结构发生变形、扭转甚至断裂，有序层状结构逐渐变得混乱无序。从径向分布图上看，远程范围内的峰值逐渐消失，只有近程范围内才有峰值出现，当取值半径不断增大时，峰值的变化趋于稳定且最后在1附近波动。上述结构特性的变化表明，退火后的体系已经由原本有序的层状结构转变为完全无序的无定形结构。(3)由于化学组成的不同，Tobermorite和Jennite能够分别代表钙硅比为O．83和1．5的C。S—H凝胶体系，与9ATobe

4、rmorite和14ATobermorite相比，1lATobermorite所计算出的机械性能参数与C．S．H凝胶吻合更好。因此11ATobermorite和Jennite模型将作为不同钙硅比下C．S．H凝胶结构特性对比的输入模型，虽然初始模型的结构差异较为明显，但经过退火处理后这两种体系的结构趋于一致化。(4)与退火处理前的结构体系相比，分子动力学模拟后各体系的体积模量、剪切模量、杨氏模量等参数均大大降低了，并且与无定形C．S—H凝胶的测试数据吻合较好，尤其是11ATobermorite和Jennite体系。(5)利用蒙特卡罗方法对C．S．H凝

5、胶的制备进行了探索性研究，与分子动力学计算的结果类似，通过此法制得的体系也表现出明显的无定形特征。虽然本文通过模拟手段较为成功地制备出了无定形C．S．H凝胶，并对其结构特性进行了有关表征，但由于C．S．H凝胶自身的复杂性及不确定性，未来还需要更多工作以更好地完善这一方面的研究。关键词：C．S．H凝胶，微观结构，力学性能，分子动力学模拟，蒙特卡罗方法IlAbstractAsthemainproductofcementhydrates，C-S-Hgelhasgreatinfluenceonmicrostructureandmacroscopicalpr

6、opertiesofcementitiousmaterials．Thoughitscomposition，structureandpropertieshavebeenwidelyinvestigated，peopletodaystillCannotgetthefullinformationaccuratelyofC—S·Hgelforitssmallparticle，uncertaincomponentandamorphousphase．TostudythemicrostructurecharacteristicseffectivelyofC-·S

7、··Hgelbyadvancedtestingtechniqueandcomputersimulationmethod，togetherwithtoinvestigatetherelationshipbetweenitspropertiesandstructure，whichisnotonlyofgreatacademicvalue，butalsoCanbeusedtoguidethedevelopmentofhigh—performanceconcrete．Basedonobtainedconfigurableparameterbyadvance

8、testingtechnique，wecouldestablishtheinitialmodelandsimulateth