摘要
泡沫作为混凝土的重要组成部分，影响混凝土的结构，如何有效利用泡沫的稳定性改善混凝土的性能是人们所关注的热点。一般使用引气剂和表面活性剂来调控混凝土的气孔结构。表面活性剂可以在界面发生定向排列，形成具有一定机械强度的液膜，通过改变界面张力、液膜的机械强度和界面的亲水能力来调控泡沫稳定性。对此已做了大量的实验探究，但是分子水平的微观解释却很少。分子动力学(Moleculardynamics,MD)模拟技术的出现，让人们从微观层面上对调控泡沫有了具体的认识。 本文基于与企业合作的泡沫混凝土项目，根据实验构建模型，以十二烷基硫酸钠(Sodiumdodecylsulfate,SDS)形成的泡沫膜为基础，使用平衡MD方法和拉伸分子动力学(Steeredmoleculardynamics,SMD)方法探究非离子表面活性剂脂肪醇聚氧乙烯醚(Fattyalcohol-polyoxyethleneether,AEO)、不同链长的烷基硫酸钠(Sodiumalkylsulfate,SAS)和亲水SiO2纳米颗粒(SiO2-Nanoparticles,SiO2-NPs)对泡沫膜稳定性的影响。本论文的主要研究内容如下: (1)SDS和AEO混合表面活性剂对泡沫稳定性的影响 使用MD方法对SDS和AEO混合表面活性剂体系的界面性质进行探究，采用包含两种外力作用的SMD方法模拟泡沫的排水和破裂过程，并对SDS/AEO分子从水相经过SDS层到空气相的自由能变化进行计算，研究加入AEO后SDS泡沫膜稳定性下降的机制。结果表明，AEO的加入降低了SDS极性头周围水化壳层的厚度，减弱了SDS分子间的相互作用，使得破坏泡沫膜的外力减小，降低SDS泡沫膜的稳定性。(2)SAS烷基链的长度对泡沫稳定性的影响 采用MD模拟研究了不同烷基链长度的SAS对泡沫膜界面性质的影响，使用包含双外力作用的SMD方法模拟泡沫液膜排水和破裂的过程，并对SAS分子从水相到SAS层的自由能变化进行计算，以此来讨论烷基链长度对泡沫膜稳定性的影响。结果表明，烷基链长度的增加增强了SAS分子间的相互作用，增加了极性头周围水化壳层的厚度,使得破坏泡沫膜所需的外力增大，表明烷基链的增长可增强泡沫膜的稳定性。 (3)亲水SiO2-NPs对泡沫稳定性的影响 SiO2-NPs吸附在界面上具有更高的吸附能，形成高机械强度的吸附膜，位于水通道中的SiO2-NPs减弱排液过程。选择亲水SiO2-NPs作为研究对象，使用MD和SMD方法，探究其对SDS形成的泡沫膜稳定性的影响。研究发现，亲水SiO2-NPs主要通过氢键和范德华作用与上下液膜之间形成机械强度较强的桥结构，阻碍水通道中水分子的运动，从而增强泡沫膜的稳定性。
NETL