基于粗粒化分子动力学理论混凝土介观模型构建和传输性能研究

Calcium silicate hydrate (C-S-H) is the main hydration product of concrete materials and the mesoscale texture (1nm~1µm) of C-S-H is the basic structural element that determines the service life of concrete. However, the fundamental properties of C-S-H at mesoscale have not been investigated comprehensively. By introducing the coarse grain molecular dynamics to study the concrete materials, the project aims to construct a comprehensive coarse grain model that bridges the molecular level and mesoscale of C-S-H structurally and dynamically. Based on the model, the transport properties will be investigated. The C-S-H samples are first synthesized. The X-ray diffraction method, Nano-indentation and NMR are utilized to characterize the microstructure and micro-mechanical properties of C-S-H samples, including the pore structure, indentation modulus and crystal structure, which can be taken as the input and verification parameters for CGMD. Meanwhile, the representative C-S-H unit with layered structure is generated by summarizing the molecular features of C-S-H. The coarse grain force field is derived to describe the interaction between the C-S-H units. Subsequently, according to the coarse grain force field, molecular dynamics and Monte Carlo methods are employed to simulate the production, aggregation and densification of the C-S-H particles during the hydration process. Finally, the realistic mesoscale model of C-S-H is constructed. Ions and water transport in the gel pore of C-S-H is studied on the basis of the model. The project is the fundamental study of the concrete material, which can improve the multi-scale study of concrete and provide theoretical basis for the durability design of concrete material.

混凝土材料在水化过程中形成的水化硅酸钙（CSH）和介观结构（1nm~1µm）是决定其服役寿命的基本单元，但其基础研究尚不完善。本项目拟建立衔接从分子到介观的结构及动力学自洽的系统粗粒化分子动力学（CGMD）模型，并研究介观尺度的传输特性。项目将合成CSH样品并综合利用X射线衍射法、纳米压痕和核磁共振等测试技术表征其微观结构和力学特征，得到其孔结构、微细观力学参数和晶体结构，并以此作为模拟的输入参数与验证依据。同时，整合分子尺度CSH信息，提炼层状代表性单元，推导描述单元间相互作用的粗粒化力场。利用该力场，结合分子动力学和蒙特卡洛方法，模拟CSH纳米颗粒在水化过程中的生长、聚合和密集过程，并最终建立较为真实的粗粒化介观模型，在此基础上解决离子和水在介观结构中传输问题。项目拟研究的内容属混凝土结构材料基础研究，研究成果将完善混凝土多尺度理论，为预测混凝土服役寿命和耐久性设计提供理论基础。

混凝土材料在水化过程中形成的水化硅酸钙（CSH）和介观结构（1nm~1μm）是决定其服役寿命的基本单元。解码混凝土介观尺度结构是高性能混凝土材料多尺度设计重要部分。本项目结合粗粒化分子动力学与现代微观结构测试方法，突破了混凝土跨尺度关联的瓶颈问题，构建了混凝土介观结构模型，系统研究了混凝土介观结构与性能。.首先，通过化学方法合成了水化硅酸钙（CSH）样品，通过扫描电镜、X射线衍射法、核磁共振等多种测试方法，明确了CSH凝胶的化学组分范围，发现了决定混凝土性能的关键微结构参量，探明了CSH平均硅氧链长随钙硅比与铝硅比等化学组分的演变规律，揭示了外掺铝相对于凝胶的硅链强化机理。.根据在分子尺度CSH层状结构、关键的硅链结构与键合作用，建立了硅氧四面体、钙氧八面体与层间离子团簇体的代表性单元，开发了适用于混凝土介观尺度的粗粒化分子动力学力场，并在结构与界面化学层面验证了模型的合理性。在粗粒化力场的基础上，采用粗粒化分子动力学方法结合蒙特卡洛随机算法，模拟了混凝土凝胶团聚、成核和生长等介观结构发展过程，研究了凝胶孔和毛细孔的分布特征规律，探明了高密度凝胶与低密度凝胶的结构特征，构建了随机堆积与有序堆积的凝胶体介观模型。.在介观结构模型的基础上，提出了分子动力学-随机行走的水分传输跨尺度计算方法，发现了凝胶孔道尺寸与界面结构对水分自扩散系数的影响规律，揭示了宏观毛细传输与介观传输的本质性差别，相比于传统计算方法，CSH凝胶微观传输指标精确度提升1个数量级，实现了混凝土从纳观到微观的跨尺度传输性能的研究。.最后，结合介观结构模型，基于近场动力学方法研究了混凝土材料多尺度的力学性能和断裂行为，追踪了受载过程中混凝土凝胶微观缺陷、微观裂缝劣化发展过程，探明了不同堆积状态对CSH凝胶粘聚力的影响规律。项目研究成果发展了混凝土多尺度理论，突破了无定形胶凝体系纳观与微观关联的关键科学问题，为高性能混凝土材料设计提供了理论支撑。