《CNTs增強水泥力學特性和變形機理的分子動力學模擬研究》是依託太原理工大學，由辛浩擔任項目負責人的青年科學基金項目。
基本介紹
- 中文名：CNTs增強水泥力學特性和變形機理的分子動力學模擬研究
- 項目類別：青年科學基金項目
- 項目負責人：辛浩
- 依託單位：太原理工大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
作為一種套用廣泛的建築材料,水泥的力學特性和變形機理卻尚不明確,這是由於其組分多樣、水化過程複雜和水泥凝膠結構不確定。本項目為水泥漿主要成分水化矽酸鈣(C-S-H)建立合適的原子模型,對其力學變形特性進行分子動力學(MD)模擬研究;通過引入空泡和其他元素（雜質）等結構缺陷,研究其對C-S-H力學性能的影響機理。碳納米管(CNTs)優異的抗拉性能使其成為水泥基複合材料潛在的理想增強材料,有實驗研究表明適量CNTs會顯著改善水泥材料的力學性能,但其機理尚無深入研究。我們將在國內外首次建立合適的CNTs/C-S-H複合體系原子模型,通過MD模擬分析CNTs對水泥材料的增強機理。著重對CNTs拔出和脫粘過程中的橋聯和網狀填充作用進行MD模擬研究，其中將考慮載入速率、CNTs形態與尺寸以及常見CNTs缺陷等因素的影響。本研究將為深入了解水泥及CNTs增強水泥基複合材料的力學變形性能奠定基礎。
結題摘要
水泥是一種套用廣泛的建築材料,但其力學特性和變形機理卻尚不明確,這是由於其組分多樣、水化過程複雜和水泥凝膠結構不確定。本項目為水泥漿主要成分水化矽酸鈣(C-S-H)建立合適的原子模型,對其力學變形特性進行分子動力學(MD)模擬研究。基於Pellenq等的建模思路，構造了不同鈣矽比（C/S）的C-S-H原子模型，採用分子動力學方法模擬了C-S-H 在軸向拉伸載荷作用下的力學性能。重點比較分析了不同鈣矽比的 C-S-H 在無水及含水情況下的拉伸應力－應變曲線。模擬結果表明：（1）與鈣矽比為1.0的情況相比，鈣矽比大於1.0時 C-S-H 結構的抗拉強度顯著下降；（2）鈣矽比大於1.0時，鈣氧間的相互作用在承受載荷方面起重要作用，有效彌補了結構中因SiO2基團缺失引起的缺陷，使得C-S-H的強度下降程度趨緩；（3）當應變達到一定程度時，水分子能夠切斷鈣氧間的相互作用，使得C-S-H結構的強度進一步降低甚至引起斷裂失效。在鈣矽比1.67模型的基礎上研究了C-S-H層狀方向上的拉壓力學性能與溫度之間的相關性，通過MD模擬發現：（1）隨著溫度的升高C-S-H的拉升強度和楊氏模量都顯著降低；（2）C-S-H結構的力學性能受到分子中水分子富集層的顯著影響；（3）與巨觀上水泥的力學性能類似，在分子尺度的MD模擬發現C-S-H的抗拉性能要遠勝於其抗拉性能。此外還通過MD模擬研究了C-S-H結構在衝擊壓縮荷載下的力學特性。本研究將為深入了解水泥及CNTs增強水泥基複合材料的力學變形性能奠定基礎。
