水化硅酸钙是水泥水化的主要产物,水化硅酸钙(C-S-H)胶凝孔中水和离子的传输决定了水泥材料的耐久性。分子动力学模拟是研究微观世界的有效手段,采用分子动力学模拟方法拟合Lucas-Washburn方程,计算水和离子在C-S-H纳米孔道中的渗透曲线。通过拟合Lucas-Washburn方程进一步研究水和离子在石墨烯以及氧化石墨烯(GO)片层中的传输和吸附。通过密度分布,取向分布,配位环境,扩散系数和时间相关函数,研究氧化石墨烯表面离子的吸附和动态特性。最后研究镶嵌有单层石墨烯片以及氧化石墨烯片的水化硅酸钙(C-S-H)基体的纳米复合材料抗离子性能,计算了水和离子的传输速率,侵入深度曲线以及扩散系数,石墨烯的不渗透性使其能够有效地抵抗有害离子的侵入。研究内容主要得出的结论如下:(1)分子动力学(MD)模拟被用来研究氯盐溶液在C-S-H纳米通道中的传输。计算发现模拟结果不符合经典的Lucas-Washburn方程,但通过将滑移长度,动态接触角和有效粘度的影响引入L-W方程中,修正的理论方程可以很好地描述溶液中离子的渗透曲线。通过具有不同离子浓度的其他模型证实了开发的理论方程的有效性。另外,进一步分析离子的局部结构以阐明离子浓度对毛细管吸附过程的影响。(2)采用MD模拟方法研究了石墨烯以及氧化石墨烯(GO)表面对硫酸钙溶液吸附和动态特性的影响。选择了四个典型表面来研究GO表面结构的影响:去质子化的羧基(-COO-),羧基(-COOH),羟基(-OH)和未官能化的石墨烯(GNS)。发现含氧官能团的存在抑制了水分子的层状堆积,降低了水密度并改变了氧化石墨烯片附近的偶极分布。由于表面亲水性,水分子的OH键优先朝向氧化石墨烯片。随着官能团极性的增加,更多的表面水分子将它们的氢键提供给由-COO-,-COOH和-OH提供的氧位点。此外,钙离子和硫酸根离子的吸附性能在很大程度上取决于GO表面的极性。离子的吸附率按以下顺序排列:GO-COO->GO-COOH>G-OH>GNS。离子通过与GO片官能氧原子形成Ca-O离子键固定钙离子。随着官能团极性的增加,Ca-O相互作用的密度增加,这一特征可以通过时间相关函数充分体现。吸附的表面钙离子可以通过形成Ca-SO42-离子对进一步固定硫酸根离子。与石墨烯片相比,溶液在GO-COO-表面上的扩散率降低了73%。流动性降低归因于GO表面上离子的较长驻留时间和离子的较长水化时间。(3)利用分子动力学(MD)研究了镶嵌有单层石墨烯片的硅酸钙水化物(CSH)基体的纳米通道中的水和离子侵入。一方面,流体的传输速率和扩散性很大程度上取决于涂层板中官能团的类型。石墨烯片与C-S-H胶凝之间的范德华相互作用随着离子和水分子的侵入而显著减弱,导致石墨烯片从C-S-H表面解离。分离的石墨烯片对排斥水和离子几乎没有贡献。另一方面,GO片中的羟基和羧基提供了足够的氧位以接受H键并与邻近的钠离子结合,进而将水分子和离子固定在GO表面上。吸附于C-S-H的GO-COOH进一步阻挡了输送通道的连通性,并“凝结”了胶凝孔入口区域的水和离子。通过本文研究,能够为氧化石墨烯膜的设计提供有价值的信息,从而提高可持续水泥复合材料的耐久性。