水泥水化C-S-H的力学性能计算研究

2019-03-13杨海霞战家男

四川水泥 2019年1期

杨海霞刘琼翟晶战家男

（中国矿业大学银川学院土木工程系，宁夏银川 750021）

水泥作为建筑行业的主要材料之一，在世界广泛的被大量使用着，随着工业的迅速发展，对水泥的力学性能提出了更高的要求，因而使得大量的研究人员对提高水泥的强度进行了大量的研究，其中作为水泥水化过程中最主要的组成物水化硅酸钙（C-S-H）是研究的重点。但是众多的研究结果都集中在实验方面，对于微观结构和宏观力学能的关系方面的研究需要进一步加强。随着计算理论的不断发展和计算机的能力迅速发展，采用计算机模拟计算其力学性能越来越成为研究的重要手段。

由于C-S-H的本质非常复杂，随着水化时间的变化，W/S和C/S都会受到液相中Ca(OH)2的影响，因而难以具体的确定其结构。目前，取得的实验结果表明其微观上结构具有Jennite和Tobermorite结构，对其的理论研究需要在此基础上改进并研究。表示目前对于C-S-H的晶体模型构建主要有两种：第一种是三层结构的T/CH模型，第二种是把Ca2+,Si4+,OH-和H2O按照不同的C/S比和W/S比进行设计模型。

Allen, A. J和Thomas, J. J[1]通过X射线衍射分析后得出C-S-H的主要组分中，C/S的比例在1.7，Ping Yu[2]等人在采用红外光谱测定C-S-H其结构时，发现C/S在大于1.3时，Ca2+和OH-开始成键，在此基础上，采用第二种模型设计方法，既按照C/S=1.7的比例，调整不同的W/S比值，把Ca2+,Si4+,OH-和H2O作为基本单元进行设计模型并计算其力学性能，同时计算具有 Jennite和 Tobermorite结构的C-S-H力学性能。

1 计算方法

分子动力学计算方法相对与第一性原理而言，以最初的模型的动能和势能为基础，随着时间的增加不断重复计算新的位置的动能和势能以及其它力学方面的数据，达到一个优化组合的结果。因此非常适合水泥C-S-H的水化过程中的模拟计算研究。因此采用Materials studio软件，使用分子动力学计算方法，计算在C/S的比例在1.7，W/S分别为1.2，0.8，0.6，0.4和0.2时，以及Jennite和Tobermorite结构的C-S-H力学性能。

2 结果及讨论

在水泥水化过程中，C-S-H凝胶会随着时间的变化而显现出不同的强度，为此设定了时间为200ps，同时由于C-S-H凝胶中H2O会影响其结构导致强度的不同。

为此计算了C/S=1.7，不同W/S值时各种强度，计算结果（表1）表明，体积模量在W/S=1.2时，最大为52.8 GPa，随着W/S的不断降低而降低，在W/S=0..2时，最小45.6GPa。剪切模量在W/S=1.2，随着W/S的降低，剪切模量变化不大，到W/S为0.6时，增加到19.1GPa，W/S为0.4时，增幅最大为6.5 GPa，其强度值也达到了极值25.6 GPa。然后迅速下降到20.6 GPa。杨氏模量和弹性模量的变化和剪切模量的变化趋势一致，也是在W/S为0.4时，杨氏模量和弹性模量达到了最大，分别为64.8 GPa和70.1 GPa。

分析其产生这种情况的原因在于：W/S为 0.4时，其晶体结构较为稳定，当W/S增加到1.2或者减少到0.2时，其晶体结构都遭到了破坏，明显发生了畸变，所以相应的力学性能会随着晶体结构破坏程度的变化而发生不同程度的降低。

表1：不同W/S时C-S-H的模量（GPa）

表2：Jennite和Tobermorite结构的C-S-H力学性能（GPa）

从表2中可以知道Jennite和Tobermorite结构的C-S-H力学性能相差很大，Tobermorite结构的强度要比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%，差别的原因在于晶体结构的不同，Jennite结构的建立是C/S=1.5，Tobermorite结构中，C/S=0.83。C/S=1.7时，计算的力学性能结果和 Jennite模型非常接近。同时根据 Georgios Constantinides[3的实验结果是C-S-H的杨氏模量和弹性模量分别是59.7 GPa和65.0 GPa。Kirkpatrick R J[4]实验结果表明：C/S＞1时，C-S-H的结构是Jennite结构。

当C/S=1.7，W/S=0.4时，其杨氏模量和弹性模量分别为64.8 GPa和70.1 GPa，和Jennite结构的计算结果非常接近，和实验数据也较好的吻合，表明此时结构为Jennite结构。