硅烷作为一种理想的混凝土防水材料,可以通过浸渍以及喷涂等多种方式在混凝土表面形成一层憎水层,提高混凝土的防水、防污以及防腐蚀能力。近年来,研究人员通过电子显微镜、综合热分析、红外光谱、X-射线衍射、中子成像等现代测试技术研究了硅烷在混凝土表面的反应与防水机理,一般认为硅烷通过脱水、缩合等反应在混凝土表层的C-S-H凝胶孔道表面进行连接,利用其防护基团(碳链)形成防水层,抑制外界水分及溶解其中的侵蚀性离子(Cl-、SO42-等)扩散至混凝土内部,达到防腐蚀的目的。但是,在更深层次的微观尺度,目前还无法清楚地了解硅烷分子如何防止水分在C-S-H凝胶中的扩散。本文基于分子动力学理论,通过分子模拟研究,分析了不同浓度、不同种类的硅烷对C-S-H凝胶孔道中水分和离子传输的影响,并通过试验验证了模拟分析的结果。分子模拟是研究物质微观结构与性能一种新型方法,具有周期短、误差小以及成本低等特点。为了从微观尺度更加深入的理解硅烷防护机理,探究硅烷防护特性,本文在基于分子动力学的基础上,模拟研究不同浓度、不同种类的硅烷对混凝土凝胶孔道中水和离子传输的影响。混凝土的主要水化产物为C-S-H凝胶,因此本文将非饱和传输模型的上层C-S-H凝胶孔道设计为2层Tobermorite结构,底层溶液根据模拟情况进行选择。硅烷选择在试验中比较常用的类型,因为进入孔隙中会发生水解,为更加贴合实际情况,选择水解后硅烷分子进行模拟,构建合理的非饱和传输模型。主要研究内容与如下:(1)研究了基于分子动力学模拟情况下不同浓度硅烷对水分子在C-S-H凝胶孔道中传输过程的影响。通过分析水分子以及硅烷分子与界面处的相互作用情况以及动力学特性可以发现,随着硅烷分子个数增多,其渗透进入C-S-H凝胶孔道的过程中增加了与界面接触的机率,更容易通过静电力等作用稳定存在于界面形成疏水膜层,可以改变水分子在界面处的分布趋势,有效减缓水分子的传输速度。(2)通过对比硅烷分子的不同放置方式发现,当将硅烷分子直接放入水中模拟硅烷分子传输进入C-S-H凝胶孔道中的情况时,其抑制水分子传输的稳定性不如将硅烷分子排列在C-S-H凝胶孔道的界面处好。第一种放置方式由于硅烷分子离开界面较远,与界面的分子间作用力较弱,主要是形成团簇体来抑制水分子传输;第二种放置情况下更容易形成疏水膜层,因此抑制效果更加明显。(3)选取了不同种类的硅烷分子,研究其对抑制水分子在C-S-H凝胶孔道中传输的影响。主要选取了甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷、异丁基三乙氧基硅烷以及辛基三乙氧基硅烷四种硅烷分别与未处理的混凝土试块进行对比。首先,在宏观的接触角试验以及毛细吸水试验过程中发现,经过辛基三乙氧基硅烷处理过的混凝土试块,其接触角达到132?,吸水系数降低79%左右,可以有效抑制水分子在混凝土内的传输。然后,对四种硅烷分子的分子动力学模拟结果发现,经过硅烷处理的混凝土试块接触角都增大,吸水率都下降。其中,辛基三乙氧基硅烷不仅可以通过分子间作用力连接在界面处形成疏水薄膜,并且其相对分子质量较大,碳链较长,稳定性好,防水的效果也最好。以上结果表明,模拟与试验结果相吻合。(4)选取甲基三乙氧基硅烷、乙烯基三乙氧基硅烷以及异丁基三乙氧基硅烷这三种材料进行快速氯离子渗透试验,与空白组对比发现其能有效降低氯离子侵蚀能力。试验结果与模拟结果相一致。氯离子溶解在水中进入混凝土内,异丁基三乙氧基硅烷在抑制水分子传输的同时减缓了氯离子进入孔道中的速度。同时,异丁基三乙氧基硅烷会形成团簇体,阻塞孔道,包裹离子,使得离子传输减慢。