[发明专利]降低水泥基材料孔道离子传输速率的量化方法

说明书

本发明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‑S‑H凝胶孔道、十八烷羧酸和盐溶液。本发明可以模拟不同溶液环境下C‑S‑H孔道中离子的传输行为，量化十八烷羧酸对C‑S‑H孔道传输速率的影响，计算既定环境下C‑S‑H内部离子渗透速率，从而为水泥基材料耐久性寿命预测提供依据。

技术领域

本发明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。

背景技术

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。

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。

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。

发明内容

发明目的：本发明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。

技术方案：本发明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：

(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。

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。