Page 38 - 水利学报2021年第52卷第1期

水 利 学 报

2021 年 1 月 SHUILI XUEBAO 第 52 卷 第 1 期

文章编号：0559-9350（2021）01-0034-08

基于反应力场分子动力学的水化硅酸钙水解弱化机理研究

侯东帅 ，于 娇 ，张津瑞 ，张梦溪 ，董必钦 3
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（1. 青岛理工大学 土木工程学院，山东 青岛 266000；2. 天津大学 水利工程仿真与安全国家重点实验室，天津 300072；
3. 深圳大学 广东省滨海土木工程耐久性重点实验室，广东 深圳 518060）
摘要：作为混凝土材料的主要胶结相，水化硅酸钙（C-S-H）凝胶的水解弱化是导致混凝土材料破坏和胶凝力下降
的重要原因。本文通过反应力场分子动力学模拟研究了 C-S-H 凝胶中含水率对其分子结构、力学性能及动力学
特性的影响。模拟研究结果表明：水分子的渗透加速了硅酸钙骨架的平移运动，这与整个结构稳定性的下降直接
相关。C-S-H 硅链上具有较高反应活性的非桥接氧有助于水解反应的发生，水解反应产生的羟基与未水解的水分
子在 C-S-H 层间区域形成了复杂的氢键网络，使结构的薄弱区域逐渐由层内过渡到层间区域，降低了硅链在
单轴拉伸过程中的重新排列程度；随含水率增加，C-S-H 中出现更多的缺陷结构，导致 C-S-H 凝胶力学性能
降低。
关键词：水化硅酸钙；分子动力学；反应力场；水解反应；动力学特性
中图分类号：TV431 文献标识码：A doi：10.13243/j.cnki.slxb.20200341

1 研究背景

水工混凝土结构的服役性能与水密切相关，大坝水变区、面板等部位的混凝土在长期与水接触
［1］
后易发生溶蚀、碳化和硫酸盐侵蚀等现象 ，使得混凝土材料的性能不断劣化，进而影响水工混凝土
结构的安全、耐久与可持续性。水化硅酸钙（C-S-H）凝胶作为水泥基材料的主要胶结相，占到混凝
［2］
土中水泥水化产物的 60% ~ 70%，是影响水泥基材料力学性能和耐久性能的关键组分 。且水泥水化
的复杂行为和浇筑后混凝土的长期使用性能都与 C-S-H 凝胶的力学响应和相对湿度的变化密切相关 ［3-4］ 。
但如同水泥基材料的“基因结构”的 C-S-H 却是一种组成可变的无定型结构，其结构中的水分子的摩
尔比无法确定，C-S-H 凝胶的结构变化对其性能的影响机制尚不明确。因此，研究 C-S-H 凝胶中水
分子的微观特性对混凝土微结构优化设计和性能提升有着重要的意义。
［5］
基于现代测试与分析技术，大量学者开展了 C-S-H 凝胶与水的相互作用研究，如 Allen 等 利用
小角度中子散射（SANS）和 X 射线衍射研究准确的测定了 C-S-H 凝胶中各类水的位置和质量分数；
［6］
Wang 等 通过核磁共振（NMR）明确了 C-S-H 中不同结合水的物理特性，物理结合水在加热时很容易
从钙硅层中移除，而化学结合水仍然作为结构组分存在，表明化学水与 C-S-H 基体之间的强连接
［7］
性；何真等 结合原子力显微镜观测结果，提出了水在 C-S-H 纳米颗粒簇中流动的控制方程，研究
了水对 C-S-H 纳米颗粒的堆聚结构的影响规律。然而，仅通过试验研究超受限水在 C-S-H 凝胶中的
作用并不全面，其结果可能受到材料纯度和仪器精度的限制，现有的试验结果也无法解释纳米级水
与 C-S-H 凝胶之间的相互作用机理。

收稿日期：2020-05-15；网络首发时间：2020-11-09
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网络首发地址：http：/kns.cnki.net/kcms/detail/11.1882.TV.20201105.1132.001.html
基金项目：国家杰出青年科学基金项目（51925805）；国家自然科学基金青年项目（51708403）；国家大坝安全工程技术研究中心
开放基金项目（CX2019B02）
作者简介：侯东帅（1986-），教授，主要从事水工混凝土耐久性研究。E-mail：dshou@outlook.com
通讯作者：张津瑞（1989-），副教授，主要从事水工混凝土耐久性研究。E-mail：jinrui.zhang@tju.edu.cn
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