地聚合物是一种低能耗、低碳环保的建筑材料,具有优良的耐酸碱腐蚀、耐高温、耐火性能和良好的机械性能,已成为建筑材料和固核固废材料领域的研究热点。水化硅铝酸钠(NASH)凝胶是地聚合物的主要粘结相,它决定了地聚合物的力学性能、耐久性能和固废能力。但是由于NASH凝胶的无定形性,分子结构的复杂性,其基础研究尚不完善。本文主要采用分子动力学方法,构建NASH凝胶分子结构模型,并将该模型推广应用于NASH凝胶力学性能及界面吸附特性研究,本文的主要研究内容如下:(1)通过高温淬火模拟和巨正则系综蒙特卡罗方法构建了不同Na/Al比的NASH凝胶分子结构模型,并分析了NASH凝胶的微结构特征。NASH凝胶在纳米尺度上具有无规则的三维网状结构,硅元素和铝元素通过桥接氧原子相连接并形成以四面体为主要结构的硅铝骨架。NASH凝胶中的钠离子主要与硅氧四面体或铝氧四面体中的氧原子和羟基形成4～7个配位。钠离子分布在硅铝酸盐骨架空腔内,起到了电荷平衡的作用。随着Na/Al比的增加,硅铝骨架周围的钠离子增多,过多的钠离子使NASH凝胶由完整的网状结构转变为含有部分缺陷的分支结构。NASH凝胶中的水分子存在两种形式,物理吸附水和化学分解。(2)利用反应力场分子动力学研究了Na/Al比对NASH凝胶力学性能的影响。NASH凝胶中钠离子含量的增加会导致非桥接氧原子数目的增加,进而导致硅铝酸盐骨架解聚,因此,随Na/Al比的增加,NASH凝胶的力学性能逐渐降低。吸附在NASH凝胶分子结构空隙中的水分子,在硅铝酸盐骨架结构的缺陷附近与周围具有高反应活性的非桥接氧反应解离,新生成的羟基与铝原子结合,形成铝氧五面体结构。在荷载作用影响下,硅铝酸盐骨架被拉伸破坏以抵抗拉伸荷载,而水分子在被拉伸的Si-O键和Al-O键的附近进一步发生水解反应,加速NASH凝胶的分解。(3)采用经验力场分子动力学方法,研究了水分子和离子在NASH凝胶界面的吸附特性。水分子在NASH凝胶界面处有序堆积且有部分水分子停留在结构缺陷处。在NASH凝胶表面裂解形成的硅铝酸盐支链结构含有大量非桥接氧位点,这些氧原子位点与界面附近的水分子形成氢键网络,使水分子受到强烈的束缚。同时,硅铝酸盐骨架中的氧原子同样提供了大量的阳离子吸附位点,对附近的阳离子有很强的吸附作用。离子在NASH凝胶表面的局部结构和动力学特性分析证实,阳离子可与NASH凝胶基体中的结构氧形成化学键,且化学键的稳定性排序如下:Na~+-Os>K~+-Os>Cs~+-Os。NASH凝胶表面阳离子的吸附能力与离子半径呈负相关,三种阳离子在NASH界面附近吸附能力的大小为Na~+>K~+>Cs~+。