一种基于分子动力学模拟的改性水化硅酸钙的评价方法

本发明属于分子动力学，尤其涉及一种基于分子动力学模拟的改性水化硅酸钙的评价方法。

背景技术：

1、水泥及混凝土材料是世界上使用最广泛的人工制备材料，是各种结构和基础工程建设的最主要材料，未来几十年水泥及混凝土材料仍将在建筑材料中占有着十分重要的地位。但近年来，现代钢筋混凝土结构向超高强，超大以及超长跨度发展，使得其难以满足现代化建设发展需求，因此对水泥基材料的韧性有着更高的要求。为了突破常规水泥基材料发展瓶颈，改善水泥基材料本身固有脆性，采用聚合物、有机纤维、弹性橡胶颗粒、钢纤维等对水泥基材料进行复合制备高韧性水泥基材料应运而生。其中有机聚合物因链段具有优异的柔韧性和延展性而被广泛应用于水泥基材料，进而改善水泥基材料的脆性结构。

2、有机聚合物是通过与水化硅酸钙(c-s-h)形成有机-无机网络结构，从而提高水泥基材料的韧性。水化硅酸钙是水泥水化产物中最重要的物质约占水化产物总体积的60-70％，是水泥水化产物中最重要的强度来源。有机聚合物与c-s-h凝胶的界面作用，包括物理吸附和化学键合，其中化学键合是决定复合材料韧性的关键因素。有机聚合物中的官能团可以络合c-s-h凝胶中的ca原子，将c-s-h凝胶连接的更紧密，从而提高其力学性能。但不同官能团有机聚合物络合ca原子能力有很大的差异，且由于c-s-h凝胶是一种非晶结构，有机聚合物的掺杂进一步增加了结构的复杂性，在原子尺度上，对这些相之间的界面相互作用的研究还不完整。因此，有必要探究c-s-h与有机聚合物之间的界面相互作用机制，从而为精准设计高性能复合材料奠定理论和技术基础。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于分子动力学模拟的改性水化硅酸钙的评价方法。该方法通过采用分子动力学模拟，选取原子间的力场函数，设定模拟参数和方法步骤，构建了有机聚合物和c-s-h凝胶的分子模型，从原子尺度上探明有机聚合物和水泥c-s-h凝胶之间的相互作用，从而为精准设计高性能复合材料奠定理论和技术基础。

2、为了实现上述目的，本发明所采取的技术方案是：

3、本发明的提供了一种基于分子动力学模拟的改性水化硅酸钙的评价方法，包括以下步骤：

4、s1、建立无水且硅链断裂的水化硅酸钙模型；

5、s2、采用蒙特卡洛方法，将水分子吸附到步骤s1的水化硅酸钙模型中，得到吸水水化硅酸钙模型；

6、s3、将有机聚合物的模型插入到步骤s2的吸水水化硅酸钙模型中，得到水化硅酸钙/有机聚合物模型；

7、s4、对步骤s3的水化硅酸钙/有机聚合物模型进行分子动力学模拟；

8、s5、采用径向分布函数对步骤s4得到的模拟结果进行分析，通过得到的ca原子的配位数进行评价。

9、在本发明的一些实施方式中，步骤s1具体为：将水化硅酸钙的层状类晶体的层间结构水去除，删除硅链中桥接的硅氧四面体，得到所述无水且硅链断裂的水化硅酸钙模型。

10、在本发明的一些实施方式中，步骤s1得到的水化硅酸钙模型的钙硅比为1.4～1.8。

11、在本发明的一些实施方式中，步骤s1得到的水化硅酸钙模型的硅链长为2.25～3.20。

12、在本发明的一些实施方式中，步骤s1得到的水化硅酸钙模型的尺寸为：x轴：y轴：z轴：

13、在本发明的一些实施方式中，步骤s1得到的水化硅酸钙模型的聚合度分布为：q1＝70～80％，q2＝18～22％，q0＝2～6％。

14、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述蒙特卡洛方法为巨正则蒙特卡洛方法(gcmc)。

15、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，进行所述蒙特卡洛方法前，还包括扩胞的步骤，具体为将吸水水化硅酸钙模型的晶胞尺寸扩胞为

16、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述蒙特卡洛方法采用的参数满足以下至少一项条件：力场函数为compassii；温度为295～300k；压力为3～3.1kpa；精度为fine；equilibration steps为200000～400000；production steps为400000～600000；静电力采用ewald加和；范德华力采用atom based；每800～1200步输出一次结果。

17、在本发明的一些实施方式中，步骤s2中，所述水分子吸附在所述水化硅酸钙模型的层间结构中。

18、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述有机聚合物含有羧基、羟基或酰胺基中的至少一种；在本发明的一些具体实施方式中，所述有机聚合物包括聚丙烯酸、聚乙烯醇或聚丙烯酰胺中的至少一种。

19、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述有机聚合物的平均分子量为1000～5000。

20、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述有机聚合物的分子密度为1.1～1.4g/cm3。

21、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述有机聚合物的模型由以下步骤建立：通过amorphous cell模块的calculation工具，选择任务为construction，精度设置为fine，温度设置为295～300k，构建过程中并进行结构优化，采用compassii力场，电荷分布由力场进行分配，能量下降采用smart算法，设置精度为fine；energy设置为0.00001～0.001kcal/mol；静电力采用ewald加和；范德华力采用atom based。

22、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，所述有机聚合物的模型建立后还进行了结构优化，以确保有机聚合物分子在无定形晶胞模型中均匀分布，输出结构个数frame设置为20～30，选择分布最均匀的结构进行后续操作。

23、在本发明的一些实施方式中，步骤s3中，进行所述插入时的参数满足以下至少一项条件：力场为compassii；静电力采用ewald加和；范德华力采用atom based。

24、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，进行所述分子动力学模拟前还对水化硅酸钙/有机聚合物模型进行了几何结构优化。

25、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述几何结构优化的参数满足以下至少一项条件：力场为compassii；精度为fine；能量下降采用smart算法；enery为0.00001～0.001kcal/mol；displacement为0.00001～0.0001a；force为0.001～0.01kcal/mol/a；静电力采用ewald加和；范德华力采用atom based；最大迭代数为40000～60000。

26、在本发明的一些实施方式中，步骤s4中，所述分子动力学模拟的参数满足以下至少一项条件：系综为npt；温度为295～300k；力场为compassii；精度为fine；静电力采用ewald加和；范德华力采用atom based；时间步长为0.5～2fs；每800～1200步输出一次结果；模拟时间为5～15ns。

27、在本发明的一些实施方式中，步骤s5的分析评价过程为：计算ca原子配位数，ca原子配位数越高，说明改性水化硅酸钙的结构越紧密，力学性能越好；

28、ca原子配位数的计算公式为：

29、其中，n(r)为ca原子配位数；g(r)为径向分布函数；r为径向分布函数中第一个峰值的宽度，ρ为系统的平均密度。

30、本发明的有益效果是：

31、本发明基于分子动力学模拟，构建了有机-无机交联网络结构模型，从原子尺度出发，揭示不同官能团有机聚合物与水化硅酸钙之间的相互作用，评价所形成的有机-无机界面结构聚合特性。并且，本发明可通过设置不同官能团或分子量的有机聚合物，为有机聚合物改性水化硅酸钙的最佳分子结构提供参考，通过本方法可进一步对有机聚合物改性水化硅酸钙的研发提供参考。