石灰石粉与硅灰协同替代水泥在喷射混凝土中的应用：多尺度实验与分子动力学机制解析

这篇研究开创性地将工业副产品石灰石粉(LP)和硅灰(SF)作为水泥替代材料，通过宏观力学测试（UCS）、微观结构分析（SEM/XRD）与分子动力学模拟（Materials Studio 2020）多尺度研究，揭示了LP-SF-水泥三元体系中Ca2+配位机制对C-S-H凝胶强度的影响规律，为开发抗压强度达58.6MPa的低碳喷射混凝土提供了理论支撑。

　　

Highlight

基于11?托勃莫石(Tobermorite)的径向分布函数分析

C-S-H是混凝土中主要的水化产物。本研究采用11?间距的托勃莫石构建C-S-H模型，其单斜晶系单元结构参数为6.735? × 7.385? × 22.487?。该结构呈现"三明治"式层状特征：钙板与硅酸盐板通过硅氧四面体链连接，钙离子和水分子分布在钙硅酸盐层间，形成独特的纳米孔隙网络。分子动力学模拟显示，SF的加入显著增强了层间氢键网络密度，而LP则通过调控Ca²⁺迁移率影响早期水化动力学。

局限性及未来研究方向

尽管通过实验表征和分子动力学手段研究了LP-SF替代OPC的力学行为，但受限于研究条件：①实验体系缺乏力学多维度覆盖；②分子模型简化了材料缺陷；③未考虑XZ地区高寒环境对材料性能的影响。未来需结合原位同步辐射等技术深化多尺度关联研究。

结论与展望

本研究开创性地证实：当水泥替代率为20%、LP:SF=80:20时，混凝土28天抗压强度提升12.6%，这归因于SF的纳米填充效应和LP对Ca²⁺-H₂O配位环境的调控。分子模拟揭示：SF/LP协同作用使C-S-H凝胶层间距缩小0.3?，弹性模量提高37.27%。该成果为隧道工程低碳喷射混凝土设计提供了分子级理论依据。

（注：翻译时对专业术语如C-S-H、OPC等保留英文缩写，Ca²⁺等化学符号严格保持原格式，并采用"纳米三明治"等形象化表述增强可读性）