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水化硅酸钙的微观结构特征及其结构模拟

叶家元  
【摘要】: 水化硅酸钙是硅酸盐水泥的主要水化产物,是水泥混凝土的强度来源。近年来,以有机大分子为主要成分的高效减水剂已经成为制备高性能混凝土的重要组分。为此,本文就掺聚羧酸类、脂肪族类高效减水剂的水化硅酸钙的孔结构及表面分形等微观结构特征进行了研究,同时结合计算材料学,进行了水化硅酸钙结构在原子水平上的分子动力学模拟研究。 以硅酸钠溶液和硝酸钙溶液进行化学反应合成了掺与不掺减水剂的水化硅酸钙样品,并运用氮吸附法表征了这些样品的孔结构,运用分形理论(FHH模型和NK模型)研究了这些样品的表面分形特征。研究表明这两种有机大分子对水化硅酸钙的孔结构及表面分形特征有显著影响:由于插层作用和“开孔”效应,聚羧酸有机大分子和脂肪族有机大分子使水化硅酸钙的比表面积显著增加;聚羧酸有机大分子更有利于水化硅酸钙形成孔径较小的中孔,而脂肪族有机大分子更有利于水化硅酸钙形成孔径较大的中孔;掺聚羧酸有机大分子和掺脂肪族有机大分子的水化硅酸钙表面都具有分形特征,但掺后者的水化硅酸钙的表面分形维数D较掺前者的小,即掺后者的水化硅酸钙的表面较掺前者的光滑。 运用一种有别于传统研究方法的新手段――分子动力学方法(所使用软件为DL_POLY),以Hamid的托贝莫来石结构模型为输入,通过选择合理的势函数及其参数,分别模拟了晶态、无定形态水化硅酸钙(Ca4(Si6O18H4)·2H2O(Ca/Si=0.66))的结构并进行了二者模拟结果的比较分析。模拟结果表明:模拟得到的原子间距离、配位数等结构参数与实验值基本符合;无定形水化硅酸钙只存在近程有序的结构特点,其基本结构单元同晶态水化硅酸钙一样都为硅氧四面体,且硅氧四面体链只以Q2形式存在,并无Q3、Q4;由瞬时结构知,相对晶态水化硅酸钙的有序结构而言,无定形水化硅酸钙的结构在长程范围内已经变得混乱无序,虽然硅氧四面体的三元结构依然存在,但硅氧四面体链已发生扭曲、旋转,甚至断裂,其存在形式并不是沿b轴无限延伸。


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