【摘要】：水化硅酸鈣(Calcium-Silicate-Hydrates,簡稱C-S-H)是硅酸鹽水泥的主要水化產(chǎn)物,對水泥混凝土的強度和耐久性有著重要影響,因此一直以來都是水泥基材料領(lǐng)域的研究重點。水化硅酸鈣因其在常溫下無定形態(tài)的結(jié)構(gòu),使得人們對其分子結(jié)構(gòu)仍無定論,只局限于研究一系列與水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)相似度較高的天然礦物,如托貝莫來石(Tobermorite)和尖乃石(Jennite)。以此為依據(jù),本文以類C-S-H硅酸鹽晶體結(jié)構(gòu)為出發(fā)點,建立了水化硅酸鈣的相關(guān)模型,依據(jù)第一性原理和分子動力學(xué)方法系統(tǒng)研究了水化硅酸鈣的各種物理化學(xué)性質(zhì),從理論和實驗兩個方面對水化硅酸鈣的結(jié)構(gòu)、力學(xué)、動力學(xué)特性進行了多層次、多尺度分析與驗證�；诿芏确汉碚�,對尖乃石和不同層間距的托貝莫來石結(jié)構(gòu)(9A、11 A、14A)進行第一性原理計算,首次使用了非局域性范德華力作用進行類C-S-H硅酸鹽晶體的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。結(jié)果表明,尖乃石和9A、11A、14A托貝莫來石結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能參數(shù)雖與C-S-H凝膠的實測值有所偏差,但其晶胞參數(shù)、體積模量、剪切模量、楊氏模量等計算結(jié)果與其他研究者對于各體系的理論計算或?qū)嶒灁?shù)據(jù)吻合較好�；诜肿觿恿W(xué)方法,對9A、11A、14A托貝莫來石結(jié)構(gòu)進行分子尺度模擬,探討其納米尺度結(jié)構(gòu)及力學(xué)動力學(xué)特性。結(jié)果表明,動力學(xué)運算之后各結(jié)構(gòu)趨向于玻璃態(tài)的無定形結(jié)構(gòu)而非規(guī)則的晶體結(jié)構(gòu)。層間距及水分含量對模擬體系中的硅鈣原子的局域結(jié)構(gòu)有重要影響。通過分子動力學(xué)模擬和蒙特卡羅模擬構(gòu)建出無定形態(tài)的C-S-H凝膠模型,并對所構(gòu)建的結(jié)構(gòu)與其他研究者的計算和實驗結(jié)果進行對比驗證。通過控制水含量構(gòu)建出不同干燥程度的C-S-H凝膠模型。結(jié)果表明水分子的浸入會導(dǎo)致C-S-H凝膠z方向長度顯著變化。飽和C-S-H凝膠中不同原子的運動能力SiCa ≤ OH。隨著H2O/Si的升高,C-S-H從類似于玻璃的無定形態(tài)結(jié)構(gòu)逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)楦佑行虻膶訝罱Y(jié)構(gòu)。實驗上,應(yīng)用溶液反應(yīng)法和C3S水化法制備水化硅酸鈣,并對其進行多種方法的表征。研究表明溶液反應(yīng)法制備的C-S-H均由較為疏松的片狀顆粒堆疊而成,而水化合成法制備的C-S-H的形貌為針棒狀。且隨著鈣硅比的增加,C-S-H聚合程度下降。根據(jù)透射電鏡圖像,C-S-H樣品為半結(jié)晶態(tài),通過統(tǒng)計條紋寬度證明C-S-H為半結(jié)晶態(tài)11A托貝莫來石。本論文的研究內(nèi)容可以增進在納觀、微觀尺度上對水化硅酸鈣結(jié)構(gòu)特性的理解,同時也進一步豐富了第一性原理計算和分子模擬的應(yīng)用領(lǐng)域。在目前水泥基材料的原子模擬研究仍較為缺乏的情況下,這一領(lǐng)域在未來必將有更大的發(fā)展空間。
【圖文】：

料性能往往是混凝土建筑設(shè)計時考慮的主要因素，如抗壓強度、彈性模量、熱膨脹系數(shù)逡逑等。在此宏觀尺度上，水泥水化的產(chǎn)物可以被認為是均質(zhì)的，具有整體的物理和化學(xué)特逡逑性。事實上，如圖１．１所示，混凝土是一種粗骨料、細骨料隨機分散在水泥硬化漿體基逡逑質(zhì)中的復(fù)合材料。各種毫米大小的＾＾、水化產(chǎn)物和未反應(yīng)的熟料顆粒也構(gòu)成了混凝土的逡逑非均質(zhì)外觀。當(dāng)在宏觀尺度上考慮工程設(shè)計時，可以假定混凝土具有均質(zhì)特性。然而，逡逑由于外加劑、礦物摻合料或水化過程造成的微米尺度的非均質(zhì)孔，，會降低混凝土的密度逡逑并且影響其力學(xué)性能。逡逑硬化的水泥漿體是微米尺度的未水化水泥顆粒和水化產(chǎn)物的非均質(zhì)復(fù)合材料，其中逡逑水化產(chǎn)物包括氫氧化鈣、ＡＦｍ相以及低結(jié)晶度的Ｃ－Ｓ－Ｈ。把水和波特蘭水泥混合，Ｃ－Ｓ－Ｈ逡逑就會析出，成為混凝土的主要粘結(jié)相。在不同的水泥水化產(chǎn)物中，Ｃ－Ｓ－Ｈ凝膠占總產(chǎn)物逡逑體積的６０％以上。Ｃ－Ｓ－Ｈ的結(jié)構(gòu)被描述為麥穗裝、針棒狀、薄膜狀、纖維狀和片層狀［２－逡逑４］，這些形態(tài)受水灰比、水化階段、．養(yǎng)護方式等因素影響［５￣７］。逡逑１逡逑

第１章緒論逡逑Ｍ逡逑圖１．３邋（ａ）硬化Ｃ３Ｓ漿體中Ｃ－Ｓ－Ｈ的內(nèi)部水化產(chǎn)物和外部水化產(chǎn)物ＴＥＭ圖像，白色箭頭所指為Ｉｐ－Ｏｐ逡逑邊界。（ｂ）Ｃ－Ｓ－Ｈ的內(nèi)部水化產(chǎn)物的局部放大圖。（ｃ）Ｃ－Ｓ－Ｈ的纖維狀外部水化產(chǎn)物的局部放大圖。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）邐（ｂ）逡逑圖丨．４邋（ａ）超高性能混凝土在９０°Ｃ下養(yǎng)護２４ｈ后漿體中的Ｃ－Ｓ－Ｈ基體ＨＲＴＥＭ圖像。（ｂ）—個ＯＰＣ逡逑在環(huán)境ＴＥＭ相對濕度７０％下Ｃ－Ｓ－Ｈ的ＨＲＴＥＭ圖像＾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~枱滃義希板危擔(dān)埃板

本文編號：2559484