氯离子与硫酸根离子在水化硅酸钙表面竞争吸附的分子动力学研究

郭丽萍^1,2，费香鹏¹，曹园章¹，薛晓丽¹，丁聪¹

1. 东南大学材料科学与工程学院2. 江苏省土木工程材料重点实验室江苏省先进土木工程材料协同创新中心

摘 要：水化硅酸钙凝胶（C-S-H）是水泥基材料中主要起粘结作用的胶体,也是发生氯离子和硫酸根离子物理吸附的主要原因。由于实验方法无法直观表现C-S-H物理吸附的过程以及吸附量随时间的变化规律,本研究采用分子动力学模型模拟C-S-H物理吸附氯离子及硫酸根离子的过程,探究吸附过程中氯离子和硫酸根离子之间的交互作用关系。模拟利用配位数并结合等温吸附法计算了3.5%NaCl溶液及3.5%NaCl+3.5%Na₂SO₄复合溶液中Cl^-和SO₄^2-的吸附量。研究发现:物理吸附作用包括离子间的近程库伦（Coulomb）作用以及长程范德华（VDW）作用,SO₄^2-抑制了C-S-H对Cl^-的吸附,减弱了C-S-H对Cl^-的长程VDW作用,但并没有减少位点对Cl^-的吸附量,只是延缓了吸附发生的时间;SiOCa⁺是Cl^-及SO₄^2-的主要吸附位点,SiOH可以吸附少量Cl^-,但对SO₄^2-无明显吸附作用,且SiOCa⁺与SiOH位点存在竞争关系。两种溶液中C-S-H凝胶对Cl^-的吸附量相差不大,约为0.06 mmol/g,对SO₄^2-的吸附量约为0.02 mmol/g。由分子动力学计算得出的C-S-H的离子吸附量,与通过测试实验合成的C-S-H及水泥浆体中的C-S-H的离子吸附量相符,由此可以证明分子动力学模拟可准确、可靠地表征侵蚀离子在水泥基材料内的复杂交互作用。

关键词：C-S-H吸附;动力学模型;氯离子;硫酸根离子;物理吸附;