不同尺寸Al_(2)O_(3)纳米颗粒对硅酸盐水泥性能的分子动力学作用机制OA

为解决矿井高压环境下硅酸盐水泥基注浆材料脆性大、渗水性高的缺陷,探究不同尺寸Al_(2)O_(3)纳米颗粒对其性能的改性机制与构效关系,采用分子动力学模拟结合宏观实验验证的方法开展多尺度研究。首先,构建C-S-H(含H_(2)O)−Al_(2)O_(3)纳米颗粒界面模型,设计8组不同尺寸的Al_(2)O_(3)纳米颗粒分子层模拟体系;其次,分析Al_(2)O_(3)纳米颗粒尺寸对界面相互作用能、水分子与颗粒的均方位移及扩散系数的影响规律;第三,探究Ca^(2+)与C-S-H中O原子、水分子的径向分布函数及配位数变化特征;最后,通过XRD、SEM微观测试与抗渗水性能实验对模拟结果进行多尺度验证。研究结果表明:Al_(2)O_(3)纳米颗粒与C-S-H间存在自发吸附行为,双分子层颗粒的界面结合能远高于单分子层,当长×宽×高为12×10^(-10) m×12×10^(-10) m×4×10^(-10) m时界面结构最稳定,宏观体现为更高的力学强度。水分子自由度与Al_(2)O_(3)纳米颗粒界面面积、分子层厚度呈正相关,颗粒分子层对水分子具有强约束作用。Ca^(2+)可与O原子、水分子形成局部配位结构,优化离子排布并促进Ca—O—Al键合网络形成,且该强化效应随分子层扩展而持续增强。Al_(2)O_(3)纳米颗粒可调控水泥水化过程,抑制Ca(OH)2晶体发育并促进C-A-S-H凝胶等水化产物生成,有效填充水泥基体微裂隙与孔洞。