硅酸鹽礦物及其水化產(chǎn)物若干問題的分子模擬研究.pdf

1、水泥的水化及微結(jié)構(gòu)演變過程對于水泥基材料的性能有著重要影響。近200年來，材料學(xué)家對這一課題進行了深入研究并取得了許多有意義的成果。然而由于水泥水化過程太過復(fù)雜，至今人們對水化機理的了解仍不十分透徹，對水化產(chǎn)物微觀尺度結(jié)構(gòu)特性也缺乏深入的認(rèn)識。本文以分子模擬為主要研究手段，對水泥水化過程中的一些問題進行了理論探討，如CaO與H2O的作用機制、C3S的摻雜改性、C-S-H凝膠的微觀結(jié)構(gòu)、水化反應(yīng)的影響因素等。此外，所有計算得到的結(jié)果均通過

2、與試驗數(shù)據(jù)的比對以驗證所選算法和模型的有效性，這一新型的研究手段對今后按工程需求設(shè)計水泥基材料具有很大的潛在價值。
　　 作為水泥熟料中的重要化學(xué)成分之一，CaO與H2O分子的相互作用情況對于我們了解更為復(fù)雜的水泥單礦的水化反應(yīng)具有重要的參考意義。通過量子力學(xué)的第一性原理計算，可以發(fā)現(xiàn)CaO(100)完美晶面較體相發(fā)生了明顯表面極化，從而具有更高的反應(yīng)活性并能夠自發(fā)地吸附H2O分子并與之化學(xué)成鍵。當(dāng)覆蓋度為1/4ML和1ML時，

3、H2O分子在CaO(100)完美表面最穩(wěn)定的吸附位點是橋位，而在1/2 ML覆蓋度下穴位則成了最穩(wěn)定的吸附位點。
　　 高嶺土以其優(yōu)異的吸附性能被廣泛應(yīng)用于水泥基材料領(lǐng)域，通過巨正則蒙特卡羅法，系統(tǒng)研究了不同條件下(溫度，壓強及鋁硅比)高嶺土體系對水分子吸附特性的演變規(guī)律。在其它條件相同的情況下，壓強的增加，可以明顯促進高嶺土對水分子的吸附，而溫度的升高則不利于吸附量的提升。經(jīng)鋁離子摻雜改性后，高嶺土體系的活性提高明顯，而為平衡

4、體系電價所引入的陽離子會造成高嶺土體系內(nèi)微孔尺寸的改變。
　　 對于水泥水化過程中的主要反應(yīng)物(C3S)和產(chǎn)物(C-S-H凝膠)，首先以測試手段獲得的結(jié)構(gòu)參數(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建起合理的模型，通過分子動力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬較為成功地制備出無定形態(tài)的C-S-H凝膠。以所得結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，分別考察了CuO摻雜C3S和苯乙烯-丙烯酸酯改性C-S-H凝膠的過程。為降低熟料C3S燒成溫度而引入的CuO，并不會改變整個晶胞的結(jié)構(gòu)而只是引起微小的局部變化

5、。當(dāng)CuO的摻量較低時，其僅僅通過溶解的方式進入晶格，不涉及任何化學(xué)變化，而當(dāng)摻量達到3％時，CuO便可能會與C3S發(fā)生固溶并生成新的物相。通過分子動力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬制得的C-S-H凝膠體系，具有明顯的短程有序而長程無序的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)特性，并且不同鈣硅比下的最終結(jié)構(gòu)趨于一致化。此時體系中的Si原子與O原子以4配位的形式存在，這意味著硅氧四面體仍為基本的結(jié)構(gòu)單元，它們彼此之間通過共用的橋氧原子形成鏈狀結(jié)構(gòu)。為改性C-S-H凝膠而引入的

6、苯乙烯-丙烯酸酯有機分子能夠較好地與原有體系相溶，并使得體系的可壓縮性明顯增大，而體積模量和剪切模量明顯下降。
　　 最后，以連續(xù)水化介質(zhì)模型為基礎(chǔ)，系統(tǒng)研究了水泥熟料品質(zhì)及水灰比對水泥水化過程和微結(jié)構(gòu)演變的影響規(guī)律。通過將水泥顆粒簡單視為不同粒徑的球體，可以將復(fù)雜的水化過程等效為球形顆粒與水反應(yīng)后的向外擴展過程。通過有效的計算模擬，便可以將水泥水化過程及微觀結(jié)構(gòu)演變過程以直觀的方式進行呈現(xiàn)。在所建立的普硅、低堿和高堿水泥模型中

7、，我們可以清晰地觀察到不同水化齡期(3小時、6小時、3天、7天及28天)的微觀結(jié)構(gòu)分布情況，各水化產(chǎn)物和孔隙的分布與實際情況吻合較好。此外，研究體系的水化度和孔隙率均隨水灰比的增加而增大，但彈性模量呈下降趨勢。無論在普硅、低堿還是高堿水泥體系里，模擬得到的彈性模量均大致相同，而水灰比和孔隙率的數(shù)值則差別較大。
　　 通過本論文的研究內(nèi)容，可以增進對水泥水化過程及產(chǎn)物結(jié)構(gòu)特性微觀層面上的理解，同時也進一步豐富了分子模擬的應(yīng)用領(lǐng)域。