水泥水化C-S-H的力學性能計算研究

楊海霞 劉 瓊 翟 晶 戰家男

（中國礦業大學銀川學院 土木工程系， 寧夏 銀川 750021）

水泥作為建筑行業的主要材料之一，在世界廣泛的被大量使用著，隨著工業的迅速發展，對水泥的力學性能提出了更高的要求，因而使得大量的研究人員對提高水泥的強度進行了大量的研究，其中作為水泥水化過程中最主要的組成物水化硅酸鈣（C-S-H）是研究的重點。但是眾多的研究結果都集中在實驗方面，對于微觀結構和宏觀力學能的關系方面的研究需要進一步加強。隨著計算理論的不斷發展和計算機的能力迅速發展，采用計算機模擬計算其力學性能越來越成為研究的重要手段。

由于C-S-H的本質非常復雜，隨著水化時間的變化，W/S和C/S都會受到液相中Ca(OH)2的影響，因而難以具體的確定其結構。目前，取得的實驗結果表明其微觀上結構具有Jennite和Tobermorite結構，對其的理論研究需要在此基礎上改進并研究。表示目前對于C-S-H的晶體模型構建主要有兩種：第一種是三層結構的T/CH模型，第二種是把Ca2+,Si4+,OH-和H2O按照不同的C/S比和W/S比進行設計模型。

Allen, A. J和Thomas, J. J[1]通過X射線衍射分析后得出C-S-H的主要組分中，C/S的比例在1.7，Ping Yu[2]等人在采用紅外光譜測定C-S-H其結構時，發現C/S在大于1.3時，Ca2+和OH-開始成鍵，在此基礎上，采用第二種模型設計方法，既按照C/S=1.7的比例，調整不同的W/S比值，把Ca2+,Si4+,OH-和H2O作為基本單元進行設計模型并計算其力學性能，同時計算具有 Jennite和 Tobermorite結構的C-S-H力學性能。

1 計算方法

分子動力學計算方法相對與第一性原理而言，以最初的模型的動能和勢能為基礎，隨著時間的增加不斷重復計算新的位置的動能和勢能以及其它力學方面的數據，達到一個優化組合的結果。因此非常適合水泥C-S-H的水化過程中的模擬計算研究。因此采用Materials studio軟件，使用分子動力學計算方法，計算在C/S的比例在1.7，W/S分別為1.2，0.8，0.6，0.4和0.2時，以及Jennite和Tobermorite結構的C-S-H力學性能。

2 結果及討論

在水泥水化過程中，C-S-H凝膠會隨著時間的變化而顯現出不同的強度，為此設定了時間為200ps，同時由于C-S-H凝膠中H2O會影響其結構導致強度的不同。

為此計算了C/S=1.7，不同W/S值時各種強度，計算結果（表1）表明，體積模量在W/S=1.2時，最大為52.8 GPa，隨著W/S的不斷降低而降低，在W/S=0..2時，最小45.6GPa。剪切模量在W/S=1.2，隨著W/S的降低，剪切模量變化不大，到W/S為0.6時，增加到19.1GPa，W/S為0.4時，增幅最大為6.5 GPa，其強度值也達到了極值25.6 GPa。然后迅速下降到20.6 GPa。楊氏模量和彈性模量的變化和剪切模量的變化趨勢一致，也是在W/S為0.4時，楊氏模量和彈性模量達到了最大，分別為64.8 GPa和70.1 GPa。

分析其產生這種情況的原因在于：W/S為 0.4時，其晶體結構較為穩定，當W/S增加到1.2或者減少到0.2時，其晶體結構都遭到了破壞，明顯發生了畸變，所以相應的力學性能會隨著晶體結構破壞程度的變化而發生不同程度的降低。

表1：不同W/S時C-S-H的模量（GPa）

表2：Jennite和Tobermorite結構的C-S-H力學性能（GPa）

從表2中可以知道Jennite和Tobermorite結構的C-S-H力學性能相差很大，Tobermorite結構的強度要比Jennite模型的高6.3 GPa、14.9 GPa、20.9 GPa和19.4 GPa，高了15.2%、57.6%、32.4%和28.6%，差別的原因在于晶體結構的不同，Jennite結構的建立是C/S=1.5，Tobermorite結構中，C/S=0.83。C/S=1.7時，計算的力學性能結果和 Jennite模型非常接近。同時根據 Georgios Constantinides[3的實驗結果是C-S-H的楊氏模量和彈性模量分別是59.7 GPa和65.0 GPa。Kirkpatrick R J[4]實驗結果表明：C/S＞1時，C-S-H的結構是Jennite結構。

當C/S=1.7，W/S=0.4時，其楊氏模量和彈性模量分別為64.8 GPa和70.1 GPa，和Jennite結構的計算結果非常接近，和實驗數據也較好的吻合，表明此時結構為Jennite結構。

3 結論

C/S=1.7，W/S=0.4，強度最大，楊氏模量和彈性模量達到了最大，分別為64.8 GPa和70.1 GPa。較好的吻合Jennite結構計算結果和實驗結果，因而其具有Jennite結構。