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地聚水泥反应产物以硅铝四面体结构形成的无定型结构为主,Na+、Ca2+等阳离子存在其网络结构空隙中,起平衡电荷的作用。根据含钙量的不同地聚水泥可分为高钙体系(C(-A)-S-H)和低(无)钙体系(N-A-S-H)。本文主要基于第一性原理,使用Materials Studio软件,构建地聚水泥水解-缩聚反应分子结构模型,计算模型中原子的Mulliken电荷、键长及分子轨道能量等参数,判断反应方向与产物;利用蒙特卡罗方法,构建了 N-A-S-H、C-A-S-H凝胶和含钙地聚水泥凝胶结构模型,对凝胶结构进行结构优化和分子动力学模拟,探究了钙含量对地聚水泥凝胶结构的径向分布函数、结构参数、弹性模量和XRD的影响;实验室制备了不同水玻璃模数和含钙量的地聚水泥凝胶,以FIRT和XRD两种表征方法对地聚水泥凝胶进行表征,对比模拟结果探究了不同钙含量对地聚水泥凝胶组成和结构的影响。根据电负性均衡原理可知硅铝氧化物在pH=12～14的碱性溶液中水解产物为[Al(OH)4]-、[SiO(OH)3]-和[SiO2(OH)2]2-。由结构模型的计算与分析可知,水解单体自发进行的缩聚反应可能三种水解单聚体自发进行的缩聚反应可能生成二聚体[Si203(OH)4]2-、[SiAlO2(OH)5]2-、[SiAl03(OH)4]3-和[Si2O4(OH)3]3-,其中生成[Si2O3(OH)4]2-和[SiAlO2(OH)6]2-的反应优先发生,单体和二聚体之间的缩聚反应可以生成三聚体[Si2AlO4(OH)6]3-(Al-Si-Si)和[Si2A104(OH)6]3-(Si-Al-Si)。在所有硅铝四面体结构中,铝四面体比硅四面体容易参与反应,缩聚反应中与非桥氧相连的Al-O键和Si-O键优先参与反应。在Universal力场下,N-A-S-H凝胶各原子对成键平均键长分别为H-00.970A,0-02.636A,Si-01.633A和Al-O1.770A,C-A-S-H凝胶结构模型中各原子对成键平均键长分别为 H-O0.985A,0-02.701 A,Ca-02.467A,Si-01.648A和 Al-01.771A,且两种结构原子间平均键长与文献实测值十分吻合,说明了所建结构模型的准确性。当Na与Ca同时存在于地聚水泥凝胶结构中平衡电荷时,会使结构中Si-O和Al-O键平均键长变短,Ca-O键平均键长变长,Si-O和Ca-0随Ca/Si的增大而增大,Al-O键不受Ca/Si影响,硅铝链状结构变的更加稳定。N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶结构模型模拟弹性模量分别为22.04GPa和62.37GPa,含钙地聚水泥弹性模量介于N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶结构模型弹性模量模拟值之间,且弹性模量模拟值随Ca/Si的增大而增大。地聚水泥凝胶结构模型模拟XRD具有明显的弥散峰,弥散峰峰宽和所处角度与Ca/Si有关。实验室制备地聚水泥凝胶,对凝胶进行了 FTIR和XRD测试分析,研究结果表明地聚水泥凝胶主要为无定态。含钙体系和N-A-S-H凝胶中均有吸附水和游离水的存在,结构水(羟基O-H)只出现在含钙量较大(≥30%)的地聚水泥凝胶中。无钙体系地聚水泥只含有N-A-S-H相,当含钙量较低(≤20%)时地聚水泥凝胶体系中不但有N-A-S-H相,还会有C-A-S-H相,但当含钙量超过30%后,凝胶体系就将以C-A-S-H相和Ca(OH)2晶体为主。地聚水泥可以根据是否含钙分为无钙体系和含钙体系,根据不同的含钙量,含钙体系又可分为低钙体系、中钙体系和高钙体系。含钙地聚水泥凝胶结构模型模拟XRD表明,低、中钙体系分界Ca/Si介于1:4～1:3之间,即CaO%介于16.7%～21.0%;由实验室地聚水泥凝胶XRD测试分析可知,中、高钙体系分界CaO%介于20%～30%之间。