基于分子动力学的混凝土/纤维界面微结构和粘结性能研究

The macroscopic mechanical performance of fiber reinforced concrete (FRC) is determined by the interfacial microstructure and the interfacial bonding properties between hydration products and fibers. However, they are still poorly understood due to the structural complexity and diversity of the hydration products in the interfacial transition zone (ITZ), which impedes the development of FRC. This project will perform computational simulations on the interaction between hydration products and fibers, aiming to reveal molecular insights into the interfacial microstructure and the bonding properties between hydration products and fibers. First, based on experimental analyses (XRD, NMR, DSI, etc.) on the structural and mechanical properties of hydration products in ITZ, a realistic interfacial model for hydration products and fibers will be constructed. Using this realistic model, molecular reaction dynamics simulations will be performed to explore the chemical bonding mechanisms in the interface of hydration products and fibers. In addition, the molecular reaction dynamics results will be used to develop an accurate coarse-grained force field for mesoscale simulations of the ITZ. Then, using the coarse-grained force field, Monte Carlo methods and molecular dynamics simulations will be employed to study the formation of hydration products at the fiber interface, and mesoscale models for hydration product-fiber interfaces will be constructed. Using these mesoscale models, the interfacial microstructure characteristics and the interfacial bonding properties between hydration products and fibers will be investigated, to find out the correlation mechanism between the interfacial microstructure and interfacial bonding properties. Taken together, this project will reproduce the ITZ of FRC with computational models of different scale, the microstructure and the bonding properties will be evaluated and associated with each other, and the molecular mechanisms will be clarified. This project is a fundamental study of concrete materials, which is expected to provide theoretical guidance for the regulation and the rational design of FRC materials.

水泥水化产物与纤维界面的微结构和粘结性能是决定纤维增强混凝土力学性能的关键，但其基础研究尚不完善。本项目拟从分子尺度至介观尺度对水化产物/纤维界面微结构和粘结性能进行研究。项目将综合利用XRD、NMR、DSI等测试技术表征水化产物/纤维界面微结构和力学性能，以此建立水化产物/纤维界面分子模型。利用分子反应动力学研究水化产物/纤维界面分子结构和化学结合作用，探明界面键合作用机理。同时，提炼分子尺度水化产物微结构特征，建立水化产物/纤维体系的粗粒化力场。基于该力场，结合蒙特卡洛和分子动力学方法，模拟水化产物在纤维界面的水化形成过程，构建水化产物/纤维界面介观结构模型。并将该模型应用于介观尺度界面微结构和粘结性能研究，探明水化产物/纤维界面微结构与粘结性能的关联机制，提出界面微结构诱导和调控方法。项目研究内容属于混凝土结构材料基础研究，研究成果可为纤维增强混凝土材料的设计和性能提升提供理论依据。

水泥水化产物与纤维界面的微结构和粘结性能是决定纤维增强混凝土力学性能的关键，但其基础研究尚不完善。本项目结合分子动力学，粗粒化分子动力学和与现代微观结构测试方法，探明不同环境中纤维/水泥水化产物界面作用机理，突破了纤维混凝土跨尺度关联的瓶颈问题，构建了纤维混凝土介观结构模型，系统研究了混凝土-纤维界面结构与性能。.首先，采用普通硅酸盐水泥直接水化法制备聚合物纤维类型的纤维混凝土试件样品，通过扫描电镜、X射线衍射法等多种测试方法分析界面过渡区中水化产物的形貌特征、微结构参数、元素组成等微结构参量，借助纤维拉拔试验测得拉拔荷载-位移曲线，并计算界面粘结强度和拉拔能。试验结果为水化产物/纤维界面分子模型的建立和验证提供依据。 .依据界面水化产物和聚合物纤维基本结构特征，结合微观测试中水化产物微结构表征结果和晶体化学基本原理，建立了水化产物（C-S-H凝胶、CH晶体、AFt晶体）与纤维界面的分子模型，利用分子动力学模拟得到聚合物纤维在水化产物表面的结构特征、动态特征、化学反应特征等，揭示了分子尺度水化产物/纤维界面微结构特征和键合作用机理。 .根据分子尺度水化产物微结构特征，利用分子动力学和玻尔兹曼迭代算法推导出水化产物/纤维体系的粗粒化力场，利用蒙特卡洛和分子动力学方法，构建了水化产物/纤维界面介观结构模型。结合试验获得的物相组成、粘结性能等完成了对水化产物/纤维介观结构模型进行调整与优化，并对粗粒化参数的有效性进行了验证。 .最后，基于介观结构模型，利用粗粒化分子动力学研究纤维的拔出过程，得到纤维拔出过程中荷载-位移曲线、能量演化、应力响应以及基体的裂缝发展过程等，揭示了介观尺度水化产物与纤维界面粘结作用本质。并将介观结构模型推广，研究水化产物组成、堆积结构、纤维类型和界面粗糙度对水化产物/纤维界面粘结性能的影响。进一步，基于近场动力学理论研究了纤维改性水泥砂浆体系的力学性能，分析了纤维含量，纤维长度，纤维界面过渡区性质对混凝土应力应变，杨氏模量以及裂缝发展规律的影响。.项目研究成果发展了纤维混凝土多尺度理论，突破了无定形胶凝体系复合有机体系的纳观与微观关联的关键科学问题，为纤维增强混凝土材料设计提供了理论依据。