降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法技术

本发明专利技术公开了一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，包括分子动力学模型构建、计算模拟和传输速率量化。分子动力学模型由三部分组成：C

【技术实现步骤摘要】
降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法


[0001]本专利技术涉及离子传输速率计算，具体涉及一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法。

技术介绍

[0002]水泥混凝土是建造公路、桥梁、住宅、隧道等的主要材料。暴露在海盐地区、冰冻地区、盐渍土等恶劣环境的水泥混凝土结构，因为侵蚀介质的侵入，往往会过早发生的劣变，最终导致结构损伤甚至失效。因此，结构耐久性与水泥基结构微观抗离子侵蚀能力紧密关联。C
‑
S
‑
H凝胶是波特兰水泥水化的主要产物，是水泥水化胶凝相的主体，以1～100nm的凝胶颗粒的形式存在，凝胶颗粒间的孔隙为侵蚀介质的传输提供了孔道，又由于C
‑
S
‑
H凝胶表面的亲水性为毛细传输提供动力，导致传统水泥混凝土抗传输性进一步降低。
[0003]为此，越来越多的国内外学者开始通过纳米掺杂和表面涂覆的方法，降低水泥混凝土的传输。主要包括有：1)在水泥基材料成型前，将氧化石墨烯、环氧、硅烯、十八烷羧酸等掺入，让其参与水泥水化进程并与水泥水化产物相互作用；2)在水泥基材料成型后，将上述纳米搀杂物制成溶液涂覆于水泥基材料表面。以上方法均使得水泥基材料的抗传输能力有一定提升。其中尤其是十八烷羧酸涂覆于水泥基材料时，发现十八烷羧酸分子能够附着于水泥基材料孔道表面，一定程度降低孔道表面亲水性，降低毛细传输速率，从而使水泥基材料传输性大幅度降低，具有很高研究意义。
[0004]但目前对十八烷羧酸降低水泥基材料内侵蚀介质传输抑制原理尚不明确，现有实验手段未能完全阐明作用机理，且无法量化表征十八烷羧酸抑制水泥基材料侵蚀性，导致关于十八烷羧酸降低水泥基材料传输的相关工程应用极少。

技术实现思路

[0005]专利技术目的：本专利技术的目的是提供一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，解决无法量化表征十八烷羧酸抑制水泥基材料侵蚀性的问题。
[0006]技术方案：本专利技术的目的是提供一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，包括以下步骤：
[0007](1)建立C
‑
S
‑
H凝胶分子、十八烷羧酸分子和盐溶液的分子动力学模型，构建C
‑
S
‑
H分子、十八烷羧酸分子以及盐溶液分子，在NVT系综下弛豫使模型的各个部分相互靠近，形成稳定的分子结构；
[0008](2)对上述建立的分子模型中的每个原子施加力，力场的形式如下式所示：
[0009]E
total
＝E
bond
+E
angle
+E
torsion
+E
vdw
+E
coul
[0010]式中，E
total
表示总势能，E
bond
表示键伸缩势能，E
angle
表示键角弯曲势能，E
torsion
表示二面角扭曲势能，E
vdw
表示范德瓦尔斯作用力，E
coul
表示库伦静电势能；
[0011](3)给定预设的环境温度、计算时间步长、整体分子模型的外缘设置为周期性边界条件，使用Nose
‑
Hoover恒温计算法保证模拟过程中系统稳定性，使用Verlet算法得到原子
运动轨迹；
[0012](4)根据步骤(3)得到的原子运动坐标轨迹，据此获得不同时间下离子在孔道中的位置和渗透深度，并绘制渗透深度和时间的相关性曲线，将得到的渗透深度和时间的相关性曲线拟合得到扩散系数。
[0013]其中，所述步骤(1)中建立分子动力学模型时，十八烷羧酸分子放置于C
‑
S
‑
H分子内壁表面位置，盐溶液分子布满C
‑
S
‑
H分子下方空间位置。
[0014]所述步骤(1)中C
‑
S
‑
H凝胶分子模型用托贝莫来石晶体构型代替。
[0015]所述步骤(1)中十八烷羧酸模型与实际分子结构相同。
[0016]所述步骤(1)中盐溶液为氯化钠溶液、氯化钙溶液、氯化铯溶液、硫酸钠溶液和硫酸镁溶液中的至少一种，盐溶液模型的构建是将一定数量的阴阳离子和水分子混合，从而获得一定浓度的盐溶液。
[0017]所述步骤(2)的立场公式展开如下：
[0018][0019]式中右边第一、二、三、四项分别表示键伸缩势能、键角弯曲势能、二面角扭曲势能、非键能，具体的，k
1i
、k
2i
、k
3i
表示键伸缩项弹力常数；
△
l表示键长；
△
θ表示键角；的ε
ij
和σ
ij
表示势能参数(ε
ij
反应原子间势能差，σ
ij
反映原子间的平衡距离)；r
ij
表示原子间距离；q
i(j)
表示分子中第i(j)个离子所带电荷；cos(nw
‑
r)表示二面角参数；ε0表示势能参数。
[0020]有益效果：本专利技术可以揭示十八烷羧酸与C
‑
S
‑
H凝胶孔道在分子尺度上的相互作用机理，量化十八烷羧酸对C
‑
S
‑
H凝胶孔道传输速率的影响，弥补了实验手段对分子尺度表征的不足，所得数据为水泥基材料耐久性寿命提供依据，对十八烷羧酸提升水泥基材料抗传输性的实验研究和工程应用，尤其对水泥基材料耐久性能影响研究具有指导意义。
附图说明
[0021]图1为分子动力学模型整体示意图；
[0022]图2为C
‑
S
‑
H分子示意图；
[0023]图3中(a)为溶液在C
‑
S
‑
H孔道中的传输的模型示意图，(b)为渗透深度随时间的变化曲线，百分数代表不同的十八烷羧酸掺加量，C
‑
S
‑
H代表空白组。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对本专利技术进行进一步说明。
[0025]本专利技术公开了一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，包括以下步骤：
[0026](1)建立C
‑
S
‑
H凝胶分子、十八烷羧酸分子和盐溶液的分子动力学模型，如图1所示，模型分三部分：C
‑
S
‑
H凝胶分子、十八烷羧酸分子和盐溶液(水分子+离子)，十八烷羧酸
分子放置于C
‑
S
‑
H分子内壁表面位置，盐溶液分子布满C
‑
S
‑
H分子下方空间位置，在NVT系综下弛豫100～200ps使模型的各个部分相互靠近，形成稳定的分子结构，；
[0027]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)建立C
‑
S
‑
H凝胶分子、十八烷羧酸分子和盐溶液的分子动力学模型，构建C
‑
S
‑
H分子、十八烷羧酸分子以及盐溶液分子，在NVT系综下弛豫使模型的各个部分相互靠近，形成稳定的分子结构；(2)对上述建立的分子模型中的每个原子施加力，力场的形式如下式所示：E
total
＝E
bond
+E
angle
+E
torsion
+E
vdw
+E
coul
式中，E
total
表示总势能，E
bond
表示键伸缩势能，E
angle
表示键角弯曲势能，E
torsion
表示二面角扭曲势能，E
vdw
表示范德瓦尔斯作用力，E
coul
表示库伦静电势能；(3)给定预设的环境温度、计算时间步长、整体分子模型的外缘设置为周期性边界条件，使用Nose
‑
Hoover恒温计算法保证模拟过程中系统稳定性，使用Verlet算法得到原子运动坐标轨迹；(4)根据步骤(3)得到的原子运动坐标轨迹，据此获得不同时间下离子在孔道中的位置和渗透深度，并绘制渗透深度和时间的相关性曲线，将得到的渗透深度和时间的相关性曲线拟合得到扩散系数。2.根据权利要求1所述的降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法，其特征在于，所述步骤(1)中建立分子动力学模型时，十八烷羧酸分子放置于C
‑

【专利技术属性】
技术研发人员：蒋金洋，陈泽，张宇，罗齐，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：