[发明专利]一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法

说明书

本发明公开了一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法，具体为：首先，建立预选纳米材料的分子动力学模型，模拟材料在NPT系统下的淬火；建立对应尺寸无水C‑S‑H模型；将预选纳米材料的分子动力学模型与模型组合；之后采用非平衡反向分子动力学方法对复合材料模型进行分析；计算预选纳米材料在C‑S‑H衬底下的导热系数及导热系数的变化程度；对比每种参数对应的纳米材料用于增强水泥材料导热性能的效率；再进行准确性验证；最后确定最适合的水泥导热性能增强相。将纳米增强相材料嵌入在C‑S‑H中，研究衬底影响下纳米增强材料导热系数的变化情况，分析材料间的结合方式，从而可以快速预选适用于工程的水泥导热性能增强相材料。

技术领域

本发明属于混凝土材料技术领域，具体涉及一种纳米级水泥导热性能增强相材料的预选方法。

背景技术

目前，关于大体积混凝土的热开裂控制是工程领域面临的重要问题，其核心是材料性能的提升。大体积混凝土由水泥砂浆和骨料组合而成。水泥是大体积混凝土中的主要胶凝材料，其水化过程中的水化热也是结构内部热量的来源。骨料在混凝土中主要起骨架作用并减少由于胶凝材料在凝结硬化过程中因干缩湿胀所引起的体积变化，同时还可作为胶凝材料的廉价填充物。

对于大体积混凝土温度裂缝的抑制，在于两个关键点。一，存在温差时，热量从内部散出速度快，避免水化热的大量蓄积。二，温度应力出现时，材料在拉应力的作用下力学性能良好，不容易开裂。解决这两个关键问题的核心在于水泥材料的性能优化。水泥作为混凝土结构内部热量导出的直接介质，其导热性能直接影响了结构内表温差。

材料导热性能的提升主要通过两种途径，一是高导热材料的添加，掺入的高导热材料与水泥材料导热性能差异越大，导热性能的提升效果越显著，二是在微孔隙内的填充作用，填充的固体材料可以增强水泥材料微结构的内部连通性(空气热导率极低)，提升热量的传递效率。

纳米材料多具有较强的导热性能，且能够起到纳米尺度的填充作用。近年来，纳米增强水泥复合材料在水利、建筑工程中得到了广泛的应用。特别是碳系纳米材料一直是研究者关注的热点。碳系纳米材料包括石墨烯、氧化石墨烯，碳纳米管等石墨烯衍生物，其结构致密、比表面积大、高强度等出色的特性对水泥材料的性能提升起到了极大的促进作用。石墨烯具有诸多突出的物理力学性质，如超高的导热系数(～5300W/mK)、断裂强度(～42N/m)和杨氏模量(～1TPa)等。其它碳系纳米材料除可能具有和石墨烯相似的性质之外，因其自身结构的特点还具有诸多独特的性质。如氧化石墨烯表面和边缘具有大量含氧官能团，能够通过官能团的浓度与反应调节自身性质，作为石墨烯的中间产物，它的制造成本也远低于石墨烯。碳纳米管抗拉强度达到50～200Gpa，是钢的100倍，密度却只有钢的1/6。随着制造条件和技术的飞速发展，纳米材料的制造成本也在日趋降低，纳米材料改性水泥在工程中的应用也会更加普遍。

材料在应用中温度升高，需要快速散热，以避免过热导致的材料老化，力学性能降低或开裂。固体材料主要的热传递方式为热传导。寻找或设计具有优异性能的导热材料对工程的安全可靠运行至关重要。一些纳米材料出色的导热性能吸引了广大研究者的兴趣。环氧树脂基体导热系数0.2W/mK，加入石墨烯后得到的复合材料导热系数为3～6W/mK。美国加州研究团队通过将石墨烯片嵌入环氧树脂，得到的复合材料导热系数可达6.44W/mK。对于聚乙酸乙烯，其自身导热系数约为0.2W/mK，通过加入20wt％的碳纳米管后，聚乙酸乙烯纳米复合材料的导热系数提高到0.34W/mK。