【摘要】：混凝土材料的耐久性問題由來已久,其中抗?jié)B性、抗凍性等問題更是研究的重點(diǎn)問題,然而各種離子要滲透進(jìn)入混凝土內(nèi)部以及凍融循環(huán)問題等都離不開水在其中的作用,因此探究水在混凝土孔隙中的傳輸擴(kuò)散問題對(duì)混凝土耐久性的研究有促進(jìn)作用。此外,隨著科技的發(fā)展進(jìn)步,人類對(duì)世界的認(rèn)知已經(jīng)發(fā)展到分子原子空間尺度,并且從納觀尺度探索研究各物質(zhì)間的反應(yīng)和特性,將有助于人類加深對(duì)世界的認(rèn)知和理解。因此采用分子動(dòng)力學(xué)方法對(duì)混凝土凝膠孔中水分子傳輸?shù)慕Y(jié)構(gòu)特性和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行研究,對(duì)更深刻地認(rèn)識(shí)混凝土中固相和液相之間的相互作用以及水分子傳輸擴(kuò)散的過程具有深遠(yuǎn)的意義。本文基于分子動(dòng)力學(xué)模擬方法,采用Jennite晶體替代C-S-H凝膠結(jié)構(gòu)作為基體模型,對(duì)水分子在混凝土凝膠孔中傳輸擴(kuò)散的結(jié)構(gòu)和動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行了研究,以期從分子尺度探究和理解水分子在混凝土中的傳輸擴(kuò)散過程。此外,通過建立在同一溫度下不同孔徑的模型和同一孔徑下不同溫度的模型,研究孔徑和溫度變化對(duì)水分子在凝膠孔中的傳輸擴(kuò)散特性的影響。首先,針對(duì)孔徑為4.6nm的凝膠孔模型,使其在300K恒溫環(huán)境下運(yùn)行至動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)后,通過統(tǒng)計(jì)計(jì)算其中水分子沿垂直于基體表面方向的密度分布,水分子偶極向量和兩個(gè)氫原子連線形成的HH向量與基體表面法向量之間的夾角的分布規(guī)律來描述水分子的結(jié)構(gòu)特性。通過根據(jù)均方位移計(jì)算得到的擴(kuò)散系數(shù)描述水分子的動(dòng)力學(xué)特性,研究結(jié)果表明基體表面具有親水性,水分子會(huì)在基體表面的作用下,擴(kuò)散進(jìn)入基體孔道中并聚集,其密度高于自由水的密度并具有擇優(yōu)取向,在該條件下混凝土凝膠孔中水分子的擴(kuò)散系數(shù)接近自由水。其次,孔徑大小對(duì)凝膠孔中水分子的傳輸擴(kuò)散的影響為:孔徑越小,基體表面對(duì)水分子的影響越大,因此在距離基體相同距離處的水分子密度波動(dòng)也越大,除基體孔道內(nèi)和表面水分子取向受到一定影響外,孔徑對(duì)其他部分水分子的取向并沒有明顯的影響,水分子的擴(kuò)散傳輸受限,導(dǎo)致擴(kuò)散系數(shù)也越小。最后,溫度通過對(duì)體系內(nèi)分子熱運(yùn)動(dòng)的改變,間接地影響著水分子在混凝土凝膠孔中傳輸擴(kuò)散行為,通過不同溫度的對(duì)比研究發(fā)現(xiàn),溫度增加,分子熱運(yùn)動(dòng)也隨之變得劇烈,水分子向孔道基體中的擴(kuò)散加劇,其密度分布也在相應(yīng)增大,溫度僅對(duì)表面水分子的取向分布有些微影響,擴(kuò)散系數(shù)也在增加等。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號(hào)】：TU528
【圖文】：

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文及物質(zhì)條件的限制，在進(jìn)行科學(xué)研究時(shí)，大家通常采用的方法是宏觀方面的試驗(yàn)研究和理論分析方法，當(dāng)然這些方法對(duì)于我們更加深刻地認(rèn)識(shí)和理解這個(gè)世界都有不可估量的作用，但是當(dāng)這種能夠從納觀尺度去認(rèn)識(shí)物質(zhì)的研究方法出現(xiàn)的時(shí)候，大家對(duì)它的態(tài)度就像新生兒對(duì)這個(gè)世界充滿好奇一樣，充滿了無限的憧憬。在納觀尺度，宏觀物質(zhì)之間的反應(yīng)方式不再適用，都是基于各種粒子對(duì)之間的相互作用，如原子，離子等。近些年，分子模擬技術(shù)發(fā)展迅猛并已滲透到各種研究領(lǐng)域：藥物設(shè)計(jì)領(lǐng)域，生物科學(xué)領(lǐng)域，材料學(xué)科領(lǐng)域，化學(xué)領(lǐng)域，石油化工領(lǐng)域等。將分子動(dòng)力學(xué)模擬技術(shù)應(yīng)用在水分子的傳輸擴(kuò)散的研究中仍然處于起步階段，但是隨著人們對(duì)水泥水化產(chǎn)物及水分子傳輸擴(kuò)散過程及其與水化產(chǎn)物表面反應(yīng)更加深入地認(rèn)識(shí)和理解的渴望，分子模擬技術(shù)這項(xiàng)新的研究方法必將越來越多的得到應(yīng)用。一般情況下，對(duì)于材料的模擬，有四個(gè)主要的特征空間尺度，基于連續(xù)場的宏觀尺度、晶格缺陷起主導(dǎo)作用的介觀尺度、原子擔(dān)當(dāng)主要角色的微觀尺度、以及基于電子的量子尺度。在各個(gè)空間尺度上，前人都已經(jīng)建立很多相關(guān)的模擬方法，目前更多的關(guān)注點(diǎn)則在不同尺度的耦合研究，期望能夠在材料研究中建立起多尺度之間的聯(lián)系，如圖 1-1 所示[9]。

將各個(gè)時(shí)刻分子的位置坐標(biāo)連接起來形成的運(yùn)動(dòng)線路稱為分子的運(yùn)動(dòng)軌跡（trajectory）。圖2-1 為簡單的 3 原子系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)圖[48]，圖中顯示各原子的位置及標(biāo)示原子的速度。圖 2-1 三原子系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)圖2.2.2 牛頓運(yùn)動(dòng)方程的數(shù)值解法在分子動(dòng)力學(xué)中必需解（2-6）式的牛頓運(yùn)動(dòng)方程來實(shí)現(xiàn)對(duì)原子速度與位置的獲取。分子動(dòng)力學(xué)模擬計(jì)算中，大家最常采用的數(shù)值解法便是由 Verlet 發(fā)展的方法。Verlet 解法最原始的思想是基于泰勒展開式來定義粒子的位置： 2222!1rttdtdrttdtdr t t rt （2-7）將上式中的 換為 t，得： 2222!1rttdtdrttdtdr t t rt （2-8）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)工程碩士學(xué)位論文結(jié)原子對(duì)間的范德瓦爾斯勢(shì)能，兩原子成鍵后在平衡位置附近振動(dòng)產(chǎn)生的勢(shì)能，三個(gè)原子間形成鍵角并微小振蕩產(chǎn)生的勢(shì)能，四個(gè)原子成鍵形成的二面角扭曲產(chǎn)生的勢(shì)能，在同一個(gè)平面內(nèi)四個(gè)原子的中心原子離開該平面小幅度振動(dòng)的勢(shì)能，兩帶電粒子間產(chǎn)生的庫倫作用，圖 2-2 為原子間勢(shì)能作用的示意圖[48]。這些勢(shì)能習(xí)慣上以符號(hào)表示為：nbbclU U U U U U U （2-12）

【參考文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前2條

1 劉鵬;宋力;余志武;;不同干濕條件下混凝土表層內(nèi)水分傳輸[J];中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版);2014年08期

2 李春秋;李克非;;干濕交替下表層混凝土中水分傳輸:理論、試驗(yàn)和模擬[J];硅酸鹽學(xué)報(bào);2010年07期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前2條

1 趙彥迪;靜水壓力下混凝土中氯離子傳輸機(jī)理研究[D];青島理工大學(xué);2011年

2 向發(fā)海;氯離子在混凝土中的傳輸機(jī)理研究[D];中南大學(xué);2011年

本文編號(hào)：2774767