[發明專利]基于分子動力學測試電場作用下離子擴散系數的方法

有效

• 申請號: 201910387260.1
• 申請日: 2019-05-10
• 公開（公告）號: CN110097927B
• 公開（公告）日: 2022-09-02
• 發明（設計）人: 侯東帥;張慶恩;李萌萌;王攀;王鑫鵬
• 申請（專利權）人: 青島理工大學
• 主分類號: G16C10/00
• 分類號: G16C10/00;G16C20/30
• 代理公司: 北京開陽星知識產權代理有限公司 11710
• 代理人: 于超

本發明屬于微觀納米材料技術領域，尤其涉及基于分子動力學測試電場作用下離子擴散系數的方法，包括以下步驟：基于分子動力學仿真軟件Materials Studio構建水化硅酸鈣(C?S?H)模型，導出car，cor文件；基于大規模原子分子并行模擬器(lammps)導出data文件；LJ勢函數用于估計分子的大小及非鍵結作用勢能的最低值，求出不同原子之間的LJ勢作用函數；撰寫in文件，運行in文件；給模型在X方向施加電場強度大小分別為計算不同電場大小下的均方位移值；輸出cl.msd文件；根據愛因斯坦的擴散定律通過Matlab分析以及Origin做圖，得到離子的擴散系數。本發明能快速、準確、無污染地預測混凝土的氯離子擴散系數。

技術領域

本發明屬于微觀納米材料技術領域，尤其涉及基于分子動力學測試電場作用下離子擴散系數的方法。

背景技術

近年來，我國一些混凝土結構耐久性設計規范中，推薦使用非穩態氯離子快速遷移試驗方法——RCM法，測定混凝土的氯離子擴散系數。氯離子是造成混凝土中鋼筋銹蝕的主要原因之一，其滲透擴散性是反映混凝土抵抗氯離子侵入和鋼筋抗腐蝕能力的一個重要參數，一般用氯離子擴散系數D_t表示，目前其主要確定方法有自然擴散法和電遷移試驗法，但兩種方法各有不足。

自然擴散法原理簡單，容易令人接受，且表觀擴散系數比較接近實際情況，可信度高，經修正后可用于實際壽命預測，其缺點為：在于試驗周期漫長，要進行切片、研粉、浸取、電化學滴定、數學擬合等多個步驟，試驗過程繁瑣。電遷移試驗，主要有ASTM C1202法、CSIRO改進法、ACMT法、RCM法和NEL法，RCM法可以得到氯離子擴散系數，可以用于混凝土結構耐久壽命預測，但缺點為：需人工讀取氯離子滲透深度，試驗結果受人為因素影響較大；此外，其陰極溶液NaCl濃度較高，最高達10％，這不僅增加試驗材料和費用，試驗后的溶液也會造成污染。

此外，電量法可以得到6h電量值，電流由儀器測出，準確、快速，能定性評價混凝土的抗氯離子性能；但不能得到氯離子擴散系數，不能用于混凝土壽命預測，常規的濃度加速試驗由于試驗周期長，速度慢，工作比較繁瑣，一般情況下要在3個月才能得到一個測試結果。

發明內容

根據以上現有技術的不足，本發明提供了基于分子動力學測試電場作用下離子擴散系數的方法，其能有效解決現有技術中的在氯離子擴散系數預測中耗時時間久、操作繁瑣、準確性不高或易污染環境等問題。

本發明解決的技術問題采用的技術方案為：

基于分子動力學測試電場作用下離子擴散系數的方法，包括：

步驟1、用分子動力學仿真軟件Materials Studio構建C-S-H模型，也就是水化硅酸鈣模型；分別給氯離子、鈉離子、鈣離子、硅氧四面體中的硅原子以及氧原子賦電荷，保持電荷平衡，電荷平衡時為0，采用CVFF力場能量最小化保證模型模擬時能量最低，MaterialsStudio最后導出car，cor文件，把導出的car，cor文件復制到lammps中。

基于對水化系統中金屬-氧原子交互作用中離子鍵或共價鍵類型成分的描述，適用于水化晶體復合物及其固/液界面處的分子模擬，已成功應用在氧化物、氫氧化物的結構模擬和層狀結構材料的層間水和離子行為的模擬中。近年來，ClayFF力場被引入了水泥基體系中，對氫氧化鈣、單硫型水化硫鋁酸鈣(AFm)和托貝莫來石(Tobermorite)的成功模擬表明其同樣適用于鈣硅體系，因此本專利將主要使用ClayFF力場模擬C-S-H凝膠的結構、傳輸等特性。

ClayFF力場中使用SPC(simple point charge)模型來表示水分子，利用Harmonic勢場函數來分別表示O-H共價鍵的拉伸、H-O-H角度的彎曲作用：

E_{bond stretch ij}＝K₁(r_ij-r₀)² (1)，