水泥基材料的微观结构和性能是一个复杂而且十分重要的问题,需要进行深入的研究,在研究过程中要保持内容的严谨和全面,目前仍有很多针对C-S-H凝胶不同的研究方法,这需要研究者不断地探索与积累。应用分子动力学,从纳米尺度上对水泥基材料进行设计,有利于在工程应用中提升水泥基材料物理化学性能。不仅如此,采用分子动力学模拟和宏观性能试验协同研究,将会对水泥基材料的研究与工程应用起到推动作用。目前针对C-S-H凝胶大多数的分子尺度研究只关注了C-S-H类晶体的单晶构型条件下的力学性质,存在显著各向异性。此外,分子力场对于研究C-S-H导热性能的合理性与准确性尚未证实。分子动力学是水泥基材料原子级尺度研究的基本方法之一,在混凝土的精细化设计中具有重要应用。C-S-H凝胶是水泥的主要水化产物,决定硬化水泥基材料的宏观性能。本研究的重点是建立C-S-H凝胶模型,并利用分子动力学方法模拟水泥浆体作为水化和未水化相层状复合材料的纳米级力学行为。这些模型的主要目的是揭示水泥浆体内部力学性能和导热性能的影响。本文详细阐述了C-S-H凝胶分子结构模型和分子动力学力场的常见类别,这是决定模拟准确性的关键因素,探讨了C-S-H凝胶分子动力学模型与力学性能和导热性能的关系。(1)分析了纳米尺度下C-S-H凝胶在x、y、z三个方向上表现出的不同的力学性质。在拉伸荷载的作用下,x方向的抗拉强度大于y方向的抗拉强度,远大于z方向的抗拉强度。x和y方向上的破坏形态不同于z方向的破坏。z方向的拉伸更容易产生破坏,是因为x与y方向上的硅链的连接,这对于C-S-H凝胶的抗拉性能起到了重要的作用。通过模拟拉伸的C-S-H凝胶模型,其力学数据与纳米压痕实验的结果比较吻合,可用于进一步的模拟研究。在压缩荷载的作用下,y方向的抗压强度大于x、z方向的抗压强度。(2)建立了C-S-H凝胶在纳米尺度中可能的结构,分析了这种随机分布的模型在x、y、z三个方向上的力学性质。通过拉伸和压缩的模型,本论文发现这次建立的随机分布的模型的力学性质与之前的模型有了较大的差异。首先,三个方向上的拉伸强度虽然低于之前的模型的抗拉强度,但是彼此之间的差异几乎消失了,更加的符合实际水泥混凝土力学的各向同性的性质。除此之外,将三个方向的抗拉强度和抗压强度进行对比发现,三个方向的抗压强度普遍都大于抗拉强度。因此,本论文从微观的层面更好的解释了脆性材料抗压不抗拉的机理。(3)分析了C-S-H凝胶在三个方向上的导热性能。通过将最开始建立的C-S-H凝胶模型进行导热的模拟,本论文发现三个方向的温度分布曲线均呈现出了稳定的状态,但是通过计算得到的热导率同宏观尺度下的实验数据相比有一定的差异。然后,将随机分布的模型进行导热模拟发现,热导率不再存在太大的差异,而且相比于单胞模型的热导率降低了。