استفاده از روش ديناميك مولكولي در تخمين خواص مكانيكي خمير سيمان سخت شده در مقياس نانو

Estimation of mechanical properties of hardened cement paste with molecular dynamics simulation method at nano scale

خواص بتن به خواص خمير سيمان سخت شده وابسته است. خمير سيمان سخت شده از مواد با ويژگي‮هاي مختلف تشكيل شده است و داراي پيچيدگي‮هايي در ساختار مي‮باشد. با توجه به اينكه خواص مصالح وابستگي زيادي به ساختار اتمي خود دارند، بررسي محصولات هيدراتاسيون در مقياس نانو مي‮تواند تا حدود زيادي در شناخت خواص بتن كمك كننده باشد. در اين مطالعه به بررسي خواص مكانيكي مهمترين محصولات هيدراتاسيون شامل كلسيم سيليكات هيدراته، كلسيم هيدروكسيد، اترينگايت، هيدروگارنت و منوسولفوآلومينات پرداخته خواهد شد. براي اين منظور با استفاده از روش ديناميك مولكولي و با كمكگيري از پنج ميدان نيروي مختلف شامل: كامپس، كامپس II، اينترفيس، يونيورسال و دريدينگ شبيه‮سازي صورت گرفته و سپس با استفاده از روابط الاستيسيته، مدول برشي، مدول حجمي، ضريب پواسون و مدول يانگ تعيين شده و همچنين بهينه‮ترين ميدان نيرو نيز تعيين خواهد شد. همچنين نتايج بدست آمده‌ي اوليه با در نظر گرفتن تخلخل ماده، توسط مدل‌ ميكرومكانيكي با مدل‌هاي واقعي معادل‌سازي شده‌اند. در نهايت نتايج بدست آمده با نتايج موجود در ادبيات فني مقايسه خواهند شد. در پايان خواص الاستيك محصولات تشكيل دهنده خمير سيمان با دقت مناسبي تخمين زده شد و نتايج نشان داد كه روش ديناميك مولكولي تا حد زيادي توانايي تخمين خواص الاستيسيته‌ي خمير سيمان سخت شده را دارد.

The cement paste properties as the matrix in concrete are of great importance in specifying its properties. Recent advances in concrete industry have highlighted the need for accurate knowledge about its nanostructure and components. To estimate the important mechanical properties such as Youngs modulus, bulk modulus and poisson ratio of the hardened cement paste at the nanoscale, a comprehensive set of crystalline structures that represent the main hardened cement paste constituents (CSH, CH, Ettringite, Hydrogarnet and monosulphoaluminate) is developed for Molecular Dynamics (MD) simulations. Five different force fields (COMPASS, COMPASS II, INTERFACE, Universal and Deriding) were used and compared with each other to be able to measure the mechanical properties of these compounds. Also, the properties of two types of CSH with high and low density were determined by using MoriTanaka method. Lastly, Simulation results reported by the authors were compared with existing computational and experimental values. The results shown that using molecular dynamics method was suitable in estimating mechanical properties of hardened cement paste. These findings might be applied in larger scales and also multiscale simulations.