湿度对水化硅酸钙力学性能影响的分子动力学模拟

水化硅酸钙(C-S-H)是水泥水化产物中最重要的组成成分,是水泥基材料的主要胶凝相。C-S-H层间水对其纳米结构和力学性能会产生显著影响。利用分子动力学研究了不同湿度C-S-H在结构和力学性能方面的差异。通过原子径向分布函数和浓度分布、弹性常数以及应力应变关系分析了湿度对C-S-H结构和弹性性质以及拉伸、压缩、剪切力学性能和变形性能的影响。结果表明:湿度增加会导致C-S-H中Si、Ca原子近程范围内的O原子集聚增多,还会导致C-S-H层间距离增大,分层更加明显,同时会降低C-S-H的弹性性质;湿度的增加会降低C-S-H拉伸、压缩、剪切力学性能和变形性能;湿度对抗拉与抗剪强度影响较大,对抗压强度影响较小,对拉伸时的变形性能影响最大,对压缩时的变形性能影响最小。     

钙硅摩尔比对纳米水化硅酸钙晶种早强作用的影响及机理

纳米C–S–H晶种成核剂通过为水泥水化产物提供成核位点,能有效促进水泥水化进程,提高水泥基复合材料早期强度。研究表明,钙硅摩尔比的变化会影响纳米C–S–H晶种对水泥的早强作用,但具体影响规律尚存争议。本工作通过X射线荧光光谱分析、多重光散射分析、动态光散射分析、X射线衍射分析、透射电子显微镜、水泥水化放热及强度测试研究了钙硅摩尔比对纳米C–S–H晶种尺寸、形貌及其对水泥早强效果的影响,以阐明钙硅摩尔比对纳米C–S–H晶种早强作用的影响规律及作用机理。这对提高纳米C–S–H晶种成核效率,优化纳米C–S–H的制备工艺,推进纳米C–S–H晶种材料的工业化应用具有重要意义。结果表明：随着钙硅摩尔比在1.0～1.7的范围内的增大,纳米C–S–H悬浮液分散稳定性逐渐提高,纳米晶粒越不易团聚;同时,随着钙硅摩尔比的增大,纳米C–S–H逐渐由球状变为锡箔状,颗粒间的堆叠逐渐减小,层厚变薄。纳米C–S–H能显著促进水泥水化放热速率和早期强度的发展,尤其是1 d龄期之内的强度。钙硅摩尔比越高,纳米C–S–H对水泥水化放热速率加快的幅度越大,早期抗压强度提升的幅度越高。     

钙硅比对水化硅酸钙加速碳化的影响

废弃水泥石、钢渣等碳酸化固定CO2不仅可以缓解温室效应还可以实现废弃物的再利用,同时制备出性能优良的建材制品。为了研究废弃水泥石矿物组成的碳酸化机理,探讨了钙硅比对水化硅酸钙加速碳化的影响。结果表明:随着钙硅比增加,水化硅酸钙(C-S-H)碳化率逐渐降低,高钙硅比的C-S-H具有相对粗大的孔结构使得早期的碳化速率增加;碳化产物中文石、球霰石、方解石在不同钙硅比时所占比例不同,钙硅比≤0.67时文石占较大比例,钙硅比≥1.00时方解石为主要碳化产物,钙硅比=0.83时球霰石含量最大;加速碳化条件下形成的碳酸钙分解温度分成两部分,在400~620℃范围内文石和球霰石都分解,方解石在650~800℃范围内分解。     

钙硅比对水热合成水化硅酸钙实验的影响研究

针对钙硅比对水化硅酸钙产品成分与结构影响较大的现象,为了分析这种影响规律,实验过程中按照不同钙硅比配入原料,采用水热合成法制备水化硅酸钙,实验最终得到了钙硅比对产物水化硅酸钙物相微观结构以及聚合度的影响规律.对实验产物进行XRD分析发现,随着钙硅比的升高,分析结果中出现了Tobermorite(托勃莫来石)以及硬钙硅石的相.通过对产物SEM分析发现,随着钙硅比的升高,产物颗粒表面微观结构变得疏松.通过红外分析发现,产物聚合度随着钙硅比的升高而降低.     

化学外加剂与水化硅酸钙相互作用的分子动力学研究进展EI北大核心CSCD

掺入化学外加剂是提升水泥基材料性能的有效方法。然而,各类化学外加剂在分子尺度上的作用机制仍需进一步明晰。水化硅酸钙(C–S–H)作为水泥水化的主要产物,控制着水泥基材料的各项宏观性能。分子动力学模拟可在分子/原子尺度上揭示化学外加剂分子与C–S–H的相互作用及其对C–S–H性能的影响。综述了近年来针对有机和无机化学外加剂与C–S–H在分子尺度上的相互作用及其对C–S–H性能影响机理的分子动力学研究进展,并展望了关于化学外加剂–(C–S–H)体系分子动力学模拟的后续研究方向。总结的化学外加剂包括有机小分子、树脂和纤维、水溶性聚合物等有机外加剂,以及(改性)石墨烯、硅烯、碳纳米管、各类纳米粒子等无机外加剂。分子动力学模拟研究重点关注各类外加剂与C–S–H界面的相互作用,这一作用的理解有助于揭示外加剂对C–S–H材料力学性能的提升机理。此外,针对有机小分子、水溶性聚合物及部分纳米粒子等外加剂,大量研究采用分子动力学方法,揭示此类外加剂对C–S–H层状结构的吸附、插层、聚集阻塞等微观作用,从而阐明这些外加剂对C–S–H力学性能、传输性能,乃至收缩行为的作用机理。这些认识,为有效提升水泥基材料性能、外加剂分子结构设计提供理论启发。     

钙硅比对水化硅酸钙结构、Zeta电势及减水剂吸附性能的影响分析

为探究水化硅酸钙(C-S-H)晶核剂对掺减水剂混凝土的影响,研究了不同钙硅比的水化硅酸钙对聚羧酸减水剂的吸附性能.通过120℃水热反应法制备水化硅酸钙,并采用XRD、SEM和29Si NMR对所制备的Ca/Si为1.0、1.3和1.6的水化硅酸钙样品进行表征;同时通过Zeta电势、总有机碳分析(TOC)和流动性分析探究了由钙硅比的变化对水化硅酸钙的Zeta电势和减水剂吸附性能以及对水泥浆体流动度的影响.试验结果表明,水化硅酸钙的链长和结晶度的优劣主要受到钙硅比的影响,钙硅比增大,链长变短,结晶度变差;水化硅酸钙的Zeta电势随着钙硅比增加而增大;C-S-H在超纯水中的电导率随钙硅比增加而变大;在不同氢氧化钙浓度的溶液中,Ca/Si为1.6的样品较1.0样品能吸附更多的减水剂;并且拥有较好的浆体流动性能.因此,高钙硅比的水化硅酸钙对聚羧酸减水剂拥有较强的吸附能力,并且对含聚羧酸减水剂的水泥浆体流动性能影响相对较小.     

水化硅酸钙纳米结构研究进展

介绍了水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的几种主要结构模型,重点阐述了纳米尺度的凝胶模型及其发展。在纳米凝胶模型中C-S-H是由最小结构单元近似为直径小于5nm的胶束堆积而成。根据胶束堆积密度的差异,C-S-H分为高密度和低密度2种不同的凝胶相。总结了现代微观测试手段对C-S-H纳米模型的验证结果,分析了当前研究存在的问题并对今后研究提出了建议。     

非饱和及饱和状态下水化硅酸钙孔道中水分和离子传输的分子动力学研究

水分子和离子在纳米孔道中的传输是混凝土材料的耐久性的重要影响因素.利用分子动力学方法可以模拟水分子和离子在非饱和及饱和状态下的毛细传输过程,进而探究纳米孔道中水分和离子的传输规律以及与C-S-H界面之间的相互作用特性.非饱和状态下,水分子和离子的传输主要受到毛细作用的驱使,以半月板形界面沿3.4 nm的水化硅酸钙孔道向上侵入;饱和状态下的水分子的传输主要是上下部水分子互相扩散而形成的交互传输过程,使得水分子沿孔道的扩散速度减慢.且饱和状态下,孔道界面处水化层更为紧密稳定,易形成离子簇,直接阻碍了后续水分子和离子的进入.因此,非饱和状态下水分子携带离子在纳米孔道中的传输速度远快于饱和状态.     

纳米水化硅酸钙的制备及对水泥水化影响的研究进展

随着纳米技术的不断发展,纳米材料逐步开始应用于传统混凝土材料中,以提高混凝土的各项服役性能。纳米水化硅酸钙(纳米C-S-H)是一种新型的早强纳米复合材料,可通过晶核效应加快水泥早期水化速率,显著提高水泥基材料的早期力学性能,从而提高施工效率,满足特殊施工要求。本文系统总结了纳米C-S-H的制备方法,及纳米C-S-H对水泥基材料早期和长期性能的影响规律,探讨了其对于水泥水化过程和水化产物的影响机制,其中重点介绍了采用聚合物分散纳米颗粒制备的C-S-H/PCE(聚羧酸型减水剂,简称PCE)纳米复合材料。     

基于分子动力学水分和离子在水化硅酸钙纳米孔道中的传输特性研究

水化硅酸钙凝胶是水泥水化产物中最基本的粘结相,水分子和离子在凝胶孔中的传输从根本上决定着水泥混凝土材料的服役寿命.采用分子动力学方法系统地研究了水分子、氯离子和钠离子在1nm、2nm、3nm和4nm的水化硅酸钙凝胶孔中的传输过程.基于径向分布函数和均方位移的离子轨迹分析发现在纳米孔道中离子和水分子展现出异于毛细水的分子结构和动力学特性:水分子有序性排布、离子大量在界面吸附和扩散速度急剧下降.这种分子结构与动力学的特性是因为水化硅酸钙界面处硅链中的非桥接氧会与水分子形成稳定的氢键连接,而钠离子可以形成Na-O化学键,同时表面的钙离子也可以与氯离子形成CaCl2团簇体.此外,随着孔径的增大,离子和水分子的扩散系数逐渐由0.15×10-9m2/s、0.7×10-9m2/s增大到1.3×10-9m2/s、3×10-9m2/s,这很接近于实验测得的毛细水的扩散系数,说明在纳米尺度上,孔径的约束和界面化学键作用是决定离子和水分子传输的关键因素.     

Effect of Silicate Anion Structure on Fixation of Chloride Ions by Calcium Silicate Hydrates

Calcium silicate hydrates, CaO–SiO₂-H₂O (C-S-H), were studied as a chloride fixation material. C-S-H of two different CaO/SiO₂ ratios were synthesized and burned with calcium chloride in a temperature range from 600° to 1000°C. Minerals with a chemical composition of CaO·SiO₂·CaCl₂ and 9CaO·6SiO₂·CaCl₂ were identified by X-ray diffraction analysis. Comparing the diffraction intensity, it was found that the most efficient chloride fixation was attained when burned at 800°C. Changes in the morphology of silicate anion associated with burning and fixation of the chloride were studied in terms of chloride fixation capability using the trimethylsililation technique. It was confirmed that some silicate anions formed a glassy infinite chain where the chloride ions were fixed as a solid solution.     

Structure Control of Calcium Silicate Hydrate Gels for Dye Removal Applications

The structure of calcium silicate hydrate (C‐S‐H) gels was modified by hydrothermal reaction with aqueous acetic acid solvent, and then the C‐S‐H gels were used for dye removal from aqueous solution. With increasing acetic acid concentration, the Ca:Si molar ratio decreased and the length of the silicate anion chain structure of the C‐S‐H gels increased. The silicate anion chain length affects the number of available silanol groups on the surface of the C‐S‐H gel: the longer the silicate anion chain length, the greater the number of negative charges and the higher the surface potential. C‐S‐H gels with a long silicate anion structure exhibited higher adsorption capacity for methylene blue than gels with a short silicate anion structure. The enhanced adsorption capacity of the C‐S‐H gels is related to the higher number of silanol groups in the bridging silica tetrahedra of the intermediate anion chain structure compared with those in the end units of silica tetrahedra.     

Molecular Dynamics Simulations of Calcium Silicate Intergranular Films between Silicon Nitride Crystals

Molecular dynamics simulations were used to study the structure of calcium silicate intergranular films (IGFs) formed between the basal planes of silicon nitride crystals. A multibody potential was used to describe the interactions between ions. Samples with different film thickness and CaO contents were studied. Epitaxial adsorption of Si and O atoms from the intergranular films onto N and Si, respectively, in the crystal surface was observed. This epitaxial order induced a structural order into the nominally amorphous IGF that decreased as a function of distance from the IGF/crystal interface. A higher concentration of strained siloxane bonds was observed at the IGF/crystal interface in comparison to the amorphous interior of the IGF. While Ca ions were observed to segregate to the IGF/crystal interface in simulations of calcium silicate glass IGFs between alumina crystals, no segregation of calcium to the first adsorbed layer on the nitride was found in these simulations using silicon nitride crystals. Planar alignment of Ca ions parallel to the IGF/crystal interface occurred with either the largest concentrations of CaO or with the thinnest IGFs studied here. This alignment creates localized nonbridging oxygen that would affect the stability of the IGF/crystal system.     

聚乙烯醇对溶液沉淀法制备的水化硅酸钙纳米结构的影响

通过溶液沉淀法制备了初始钙硅比为1.0～1.7的掺杂PVA的水化硅酸钙(C-S-H-PVA)系列样品,研究了C-S-H-PVA的纳米结构特征.结果表明:PVA的加入增加了C-S-H的层间距,影响了C-S-H的层间结构;C-S-H-PVA样品的Fourier变换红外光谱中出现了CH2/CH伸缩振动峰,29Si核磁共振(NMR)谱中出现了1个Q1峰和2个Q2峰,而且PVA的加入使Q1、Q2峰向更负方向偏移,使Q2/Q1的比值以及硅酸盐链的平均链长(MCL)增长,说明PVA能增加C-s-H结构中的硅氧四面体聚合度.随着钙硅比的增加,C-S-H-PVA样品的29Si NMR谱中Q1、Q2峰的化学位移向正方向偏移,Q2/Q1的比值以及MCL减小,这一变化规律与未掺PVA的C-S-H样品的变化规律类似.     

水热合成制备水化硅酸钙-聚氨酯纳米复合材料的结构分析

本文以生石灰、纳米二氧化硅和聚氨酯为原料,采用水热合成法制备了纯水化硅酸钙和水化硅酸钙-聚氨酯纳米复合材料,并利用扫描电子显微镜、能谱仪、X射线衍射仪、红外光谱仪和热分析仪对其进行表征测试。结果表明:水化硅酸钙和水化硅酸钙-聚氨酯复合材料的微观组织形貌具有明显差异,随着钙硅摩尔比的增大,出现了Tobermorite相,且随着聚氨酯的加入,该相的结晶度增强;聚氨酯可以嵌入水化硅酸钙层间,使其基底层间间距增大1.038 nm;聚氨酯的加入可以提高水化硅酸钙的热稳定性,且对钙硅比较高的水化硅酸钙改性更有效。     

MgO活性对新型水化硅酸镁水泥性能的影响

通过对原料轻烧氧化镁粉在不同温度下进行二次恒温煅烧1.5 h制备不同活性MgO,研究了不同活性MgO与硅灰(SF)和磷酸氢二钾(K₂HPO₄)所制备的新型水化硅酸镁水泥胶凝材料(又称水化磷硅酸镁水泥,MSPHC)的凝结时间、流动度、抗压强度、反应溶液pH值。结合X射线衍射(XRD)、热重分析(TG-DTG)和扫描电子显微镜(SEM)测试手段,分析其影响机理。结果表明:随着煅烧温度的升高,MgO衍射峰强度增大,MgO活性降低;活性越高的MgO制备的MSPHC净浆凝结时间越短且流动性越差,而活性适中MgO制备的MSPHC具有较好的力学性能。MSPHC最主要的水化产物是水化硅酸镁(M-S-H)凝胶,另外还有Mg(OH)₂和MgKPO₄·6H₂O(MKP)生成,原料轻烧氧化镁粉中的MgCO₃成分不参与体系反应。活性适中的MgO制备的MSPHC在28 d龄期内的水化产物M-S-H凝胶生成量最多,因此硬化体抗压强度最高。活性越高的MgO在MSPHC反应体系中溶解的速度越快,体系水化反应进程速度也越快。