水泥水化C-S-H的力學(xué)性能計(jì)算研究

楊海霞 劉 瓊 翟 晶 戰(zhàn)家男

（中國(guó)礦業(yè)大學(xué)銀川學(xué)院 土木工程系， 寧夏 銀川 750021）

水泥作為建筑行業(yè)的主要材料之一，在世界廣泛的被大量使用著，隨著工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)水泥的力學(xué)性能提出了更高的要求，因而使得大量的研究人員對(duì)提高水泥的強(qiáng)度進(jìn)行了大量的研究，其中作為水泥水化過(guò)程中最主要的組成物水化硅酸鈣（C-S-H）是研究的重點(diǎn)。但是眾多的研究結(jié)果都集中在實(shí)驗(yàn)方面，對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)和宏觀力學(xué)能的關(guān)系方面的研究需要進(jìn)一步加強(qiáng)。隨著計(jì)算理論的不斷發(fā)展和計(jì)算機(jī)的能力迅速發(fā)展，采用計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算其力學(xué)性能越來(lái)越成為研究的重要手段。

由于C-S-H的本質(zhì)非常復(fù)雜，隨著水化時(shí)間的變化，W/S和C/S都會(huì)受到液相中Ca(OH)2的影響，因而難以具體的確定其結(jié)構(gòu)。目前，取得的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明其微觀上結(jié)構(gòu)具有Jennite和Tobermorite結(jié)構(gòu)，對(duì)其的理論研究需要在此基礎(chǔ)上改進(jìn)并研究。表示目前對(duì)于C-S-H的晶體模型構(gòu)建主要有兩種：第一種是三層結(jié)構(gòu)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(jìn)行設(shè)計(jì)模型。

Allen, A. J和Thomas, J. J[1]通過(guò)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(cè)定C-S-H其結(jié)構(gòu)時(shí)，發(fā)現(xiàn)C/S在大于1.3時(shí)，Ca2+和OH-開(kāi)始成鍵，在此基礎(chǔ)上，采用第二種模型設(shè)計(jì)方法，既按照C/S=1.7的比例，調(diào)整不同的W/S比值，把Ca2+,Si4+,OH-和H2O作為基本單元進(jìn)行設(shè)計(jì)模型并計(jì)算其力學(xué)性能，同時(shí)計(jì)算具有 Jennite和 Tobermorite結(jié)構(gòu)的C-S-H力學(xué)性能。

1 計(jì)算方法

分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法相對(duì)與第一性原理而言，以最初的模型的動(dòng)能和勢(shì)能為基礎(chǔ)，隨著時(shí)間的增加不斷重復(fù)計(jì)算新的位置的動(dòng)能和勢(shì)能以及其它力學(xué)方面的數(shù)據(jù)，達(dá)到一個(gè)優(yōu)化組合的結(jié)果。因此非常適合水泥C-S-H的水化過(guò)程中的模擬計(jì)算研究。因此采用Materials studio軟件，使用分子動(dòng)力學(xué)計(jì)算方法，計(jì)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(shí)，以及Jennite和Tobermorite結(jié)構(gòu)的C-S-H力學(xué)性能。

2 結(jié)果及討論

在水泥水化過(guò)程中，C-S-H凝膠會(huì)隨著時(shí)間的變化而顯現(xiàn)出不同的強(qiáng)度，為此設(shè)定了時(shí)間為200ps，同時(shí)由于C-S-H凝膠中H2O會(huì)影響其結(jié)構(gòu)導(dǎo)致強(qiáng)度的不同。

為此計(jì)算了C/S=1.7，不同W/S值時(shí)各種強(qiáng)度，計(jì)算結(jié)果（表1）表明，體積模量在W/S=1.2時(shí)，最大為52.8 GPa，隨著W/S的不斷降低而降低，在W/S=0..2時(shí)，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(shí)，增加到19.1GPa，W/S為0.4時(shí)，增幅最大為6.5 GPa，其強(qiáng)度值也達(dá)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(shì)一致，也是在W/S為0.4時(shí)，楊氏模量和彈性模量達(dá)到了最大，分別為64.8 GPa和70.1 GPa。

分析其產(chǎn)生這種情況的原因在于：W/S為 0.4時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，當(dāng)W/S增加到1.2或者減少到0.2時(shí)，其晶體結(jié)構(gòu)都遭到了破壞，明顯發(fā)生了畸變，所以相應(yīng)的力學(xué)性能會(huì)隨著晶體結(jié)構(gòu)破壞程度的變化而發(fā)生不同程度的降低。

表1：不同W/S時(shí)C-S-H的模量（GPa）

表2：Jennite和Tobermorite結(jié)構(gòu)的C-S-H力學(xué)性能（GPa）

從表2中可以知道Jennite和Tobermorite結(jié)構(gòu)的C-S-H力學(xué)性能相差很大，Tobermorite結(jié)構(gòu)的強(qiáng)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(jié)構(gòu)的不同，Jennite結(jié)構(gòu)的建立是C/S=1.5，Tobermorite結(jié)構(gòu)中，C/S=0.83。C/S=1.7時(shí)，計(jì)算的力學(xué)性能結(jié)果和 Jennite模型非常接近。同時(shí)根據(jù) Georgios Constantinides[3的實(shí)驗(yàn)結(jié)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：C/S＞1時(shí)，C-S-H的結(jié)構(gòu)是Jennite結(jié)構(gòu)。

當(dāng)C/S=1.7，W/S=0.4時(shí)，其楊氏模量和彈性模量分別為64.8 GPa和70.1 GPa，和Jennite結(jié)構(gòu)的計(jì)算結(jié)果非常接近，和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也較好的吻合，表明此時(shí)結(jié)構(gòu)為Jennite結(jié)構(gòu)。

3 結(jié)論

C/S=1.7，W/S=0.4，強(qiáng)度最大，楊氏模量和彈性模量達(dá)到了最大，分別為64.8 GPa和70.1 GPa。較好的吻合Jennite結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，因而其具有Jennite結(jié)構(gòu)。