【摘 要】
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混凝土作为世界上使用最广泛的建筑材料之一,关于其耐久性的研究越来越受到关注。每吨水泥的制备过程中能产生0.9吨的二氧化碳,在世界范围内,制造水泥时所产生的二氧化碳约占全年人造二氧化碳的6%-7%。而提高混凝土的耐久性能在一定程度上减少水泥的生产,对减少碳足迹具有十分重要的意义,有利于绿色可持续发展。混凝土的耐久性与水分子和离子在其纳米孔道中的传输有紧密联系,而该领域在宏观层面上的研究也已经相对成熟
【基金项目】
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国家自然基金面上项目（项目编号:51378104）；
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混凝土作为世界上使用最广泛的建筑材料之一,关于其耐久性的研究越来越受到关注。每吨水泥的制备过程中能产生0.9吨的二氧化碳,在世界范围内,制造水泥时所产生的二氧化碳约占全年人造二氧化碳的6%-7%。而提高混凝土的耐久性能在一定程度上减少水泥的生产,对减少碳足迹具有十分重要的意义,有利于绿色可持续发展。混凝土的耐久性与水分子和离子在其纳米孔道中的传输有紧密联系,而该领域在宏观层面上的研究也已经相对成熟,然而水分子和离子在纳观层次的传输机理却很少被揭示。本文采用分子动力学（MD）模拟的方法来研究水分子和离子在掺铝相水泥基材料纳米孔道中的离子耦合传输机理。铝相的掺入使得水泥的主要水化产物从水化硅酸钙（C-S-H）凝胶转变为水化硅铝酸钙（C-A-S-H）凝胶,而MD目前的研究都主要集中于前者,对于后者及其他水化产物如氢氧化钙（CH）、钙矾石（AFt）等的研究还较为缺乏。本文主要研究内容包括以下三个方面:（1）通过MD模拟的方法揭示了掺铝相水泥基材料主要水化产物（即C-A-S-H凝胶）纳米孔道中的离子耦合传输机理。结果表明:C-A-S-H凝胶基底表面呈亲水性;基底硅链上的非桥接氧原子能通过形成稳定的Na-Os离子键进而捕获溶液中的钠离子,将其吸附在表面上;而溶液中的其他阴离子(Cl-和SO42-)则是通过与基底表面的钙离子或者被表面吸附的钠离子形成稳定的Cl-Ca/Na和SO4-Ca/Na离子键而被二次吸附;溶液中的SO4-Na离子键要比Cl-Na要稳定得多,故硫酸根离子能吸附周围的其他离子形成离子簇进而堵塞孔道,该现象的发生会降低溶液的整体传输速率。（2）通过MD模拟的方法分析了浓度对C-A-S-H纳米孔道中离子传输的影响。结果表明在纯Na Cl溶液中,浓度的提高仅仅增加了溶液中离子键的数量,而不会增强离子键的稳定性,故溶液传输速率受到的影响较小。然而在纯Na2SO4溶液中,浓度的提高能大大增强溶液中离子键的稳定性,进而导致大量离子簇的形成,从而对溶液整体的传输速率起到明显的抑制作用。在混合溶液中,增加Na2SO4的浓度对溶液传输的抑制作用同样要明显比增加Na Cl的浓度显著,原理同前;但是提高混合溶液中Na Cl的浓度对溶液传输产生的抑制作用却要比纯Na Cl溶液中的要显著。原因是在高浓度下,硫酸根离子能吸附更多的钠离子和氯离子,进而形成更大的离子簇。（3）通过MD模拟的方法揭示了掺铝相水泥基另一种重要的水化产物（CH）纳米孔道中的离子耦合传输机理。结果表明:CH基底表面也呈现良好的亲水性。阴离子被基底捕获的机理同C-A-S-H凝胶;不同的是钠离子,其是和CH表面羟基的氧原子形成Na-Os键而被捕获。CH模型中的Cl-Ca离子键要比C-A-S-H凝胶中的要更加稳定,加上CH基底本身的钙原子含量较大,故其对氯离子的吸附能力要更强;而在C-A-S-H凝胶模型中,溶液中的钠离子和硅链上的非桥接氧原子形成的Na-Os键要比和CH基底羟基上氧原子形成的更稳定,这导致了C-A-S-H基底对钠离子的吸附能力更强。以上很好地说明了不同水化产物对离子的作用是不同的。同时,由于C-A-S-H基底可以稳定地吸附溶液中钠离子,故其可以更有效地吸附纳米孔道中形成的离子簇,进而产生“颈缩”现象,导致溶液的传输速率明显降低。然而,CH纳米孔道中并不会发生这种现象。由于CH基底无法有效地吸附钠离子,纳米孔道中的离子簇会随着溶液一起移动而没有被基底表面所吸附,故不会产生明显的“颈缩”现象。
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