水化硅酸钙力学性能分子动力学模拟方法对比研究

对水化硅酸钙凝胶(C-S-H)的力学性能分子动力学模拟方法进行了对比研究。以Tobermorite和Jennite晶体作为CS-H纳观结构的模型,建立3倍晶胞分别在COMPASS、COMPASS II两种力场下进行分子动力学模拟,得到纳观结构的力学性能。然后根据Powers和Jennings水化模型,引用自融洽(SC)和Mori-Tanka均匀化方法考虑孔隙率因素,计算C-S-H凝胶的力学性能。研究发现,COMPASS力场对C-S-H力学性能的模拟更好;SC方法计算的结果更为接近试验值;Tobermorite 11和Jennite结构模型在力学性能模拟方面更准确;Jennings水化模型与原子模拟研究技术结合较好。     

矿渣胶凝材料固结尾砂的微观实验

用X射线衍射、扫描电镜和热重!差示扫描量热方法表征了矿渣胶凝材料的水化产物和微观结构,研究了矿渣胶凝材料对尾砂固结过程的影响.微观实验结果表明:矿渣胶凝材料的水化产物主要为水化硅酸钙凝胶(C—S—H)、钙矾石(AFt)及少量的帕水钙石(Ca2Al4Si4O15(OH)2.4H2O)和沸石类矿物,随着养护时间的延长,矿渣胶凝材料在水化过程中发生晶体结构重组和重排;尾砂中的方英石、云母和碳酸盐类矿物(方解石、白云石等)是尾砂固结过程中的活性成分,能生成其他晶体矿物和胶凝状矿物,这是导致固结体微观结构不同的主要原因.     

无机盐对蒙脱石弹性力学参数影响的分子模拟与实验研究

利用分子模拟软件Materials Studio(MS)建立Na-蒙脱石的微观晶体结构模型,研究无机盐抑制蒙脱石的水化机制以及水化造成的蒙脱石弹性力学参数变化。将无机盐化学的影响结果体现在力学强度参数的变化,从而将井壁稳定的化学研究和力学研究耦合在一起。结果表明:Na-蒙脱石晶体的层间距随晶体表面吸附水分子个数呈跳跃式增大,岩石强度逐渐减小;无机盐通过控制蒙脱石层间水分子,实现了对蒙脱石水化的抑制作用,KCl、Ca Cl2和Na Cl的最佳质量分数分别为:15.00%~20.00%、37.48%~43.50%和16.88%~19.16%;KCl和Ca Cl2对提高蒙脱石晶体弹性模量效果最好。     

纳米硅溶胶改性水泥基材料性能及机理分析

针对普通水泥基材料存在早期强度低、抗变形能力弱等问题，通过纳米硅溶胶对水泥基材料进行改性，采用电液伺服万能试验机、X射线衍射及扫描电镜等手段对纳米硅溶胶改性不同水灰比水泥基材料的流动性、结石率、单轴抗压强度、弹性模量、水化产物及微观形貌进行研究。结果表明：硅溶胶掺量在0.5%以内、水灰比小于1.0时可显著提高水泥浆液的流动性，最大提高20.24%;结石率随着纳米硅溶胶掺量的增加而增大，且硅溶胶对水灰比大于0.7浆液的结石率提高明显，最大提高24.49%;当硅溶胶掺量为2%时，结石体的抗压强度增幅最大且随着养护龄期的增加，硅溶胶对试样强度的增幅效果逐渐减弱；纳米硅溶胶的掺入促进水泥基早期的水化反应，与水化产物反应生成水化硅酸钙凝胶(C—S—H)并使微观形貌更加致密，使结石体的早期抗压强度及弹性模量显著提高；纳米硅溶胶通过缩短诱导期以及在颗粒空隙中为C—S—H提供成核位点促进水化反应，提高水泥基材料性能。     

考虑内部缺陷的FRP拉索力学行为仿真分析

通过扫描电子显微镜观测了纤维增强树脂基复合材料(FRP)拉索的内部原始缺陷形态与结构,基于Python-ABAQUS建立了含孔洞缺陷的微观模型来分析拉索的多尺度力学行为.结果 表明:孔隙率与孔洞长径比是影响纤维丝等效弹性模量的主要因素,在相同孔隙率和孔洞体积下,等效弹性模量随孔洞横截面积减小而增大.由于孔洞分布位置的随机性,数值模拟得到的纤维丝等效弹性模量比Mori-Tanaka理论计算值偏高.当纤维丝内部的孔洞的长径比小于1时,孔洞分布位置对等效弹性模量的影响最大.基于纤维束的随机破坏本构关系,采用用户自定义子程序建立了宏观尺度拉索和单筋的多尺度有限元模型,探究了微观和细观尺度的缺陷对宏观性能的影响.最后,采用不同Weibull参数与含内部缺陷的纤维束力学参数,发现FRP单筋和拉索模型的仿真结果与试验结果比较相符.     

岩石孔隙结构表征与流体输运可视化研究进展

孔隙结构特征的室内测试技术主要分为间接测试和直接测试两大类。前者主要以获取孔径分布等特征统计参数为主的流体注入法及孔隙流体饱和度的反分析法。后者主要为以获取孔隙结构图像为目的的光学辐射法。微观渗流物理实验可以实现孔隙空间中流体流动形态的可视化监测与分析，获取宏观条件下难以观测的实验现象，有助于孔隙尺度下渗流及驱替过程中复杂流动行为的微观力学机制分析。基于岩芯微观孔隙结构图像的模型重建是一种实现孔隙结构精细化表征与流体输运特性可视化研究的数值分析手段。基于不同的表征思想，多孔介质内流体输运控制方程可分为分子动力学模拟、格子玻尔兹曼模拟和计算流体动力学模拟。主要通过泊肃叶定律和准静态模型实现孔隙尺度流体流动和驱替过程的模拟。     

水化硅酸钙形成过程中对Cd(Ⅱ)、Zn(Ⅱ)的俘获作用

利用分析纯CaO,H2SiO3和Cd（NO3）：·4H2OE或Zn（NO3）2]在液相中人工合成n（Ca）／n（si）为1．6和0．7的2种含Cd（Ⅱ）或含Zn（Ⅱ）的水化硅酸钙（C—s—H）,研究C—S—H在形成过程中对Cd（Ⅱ）或Zn（Ⅱ）的俘获情况。结果表明,2种n（Ca）／n（Si）的C—S—H在俘获Cd（Ⅱ）后,其XRD图谱均发生明显的变化,特别是在ca”量不足[n（Ca）／n（si）=0．7]的情况下,其晶格参数的变化较大,其特征峰无论是峰值还是峰位均发生了明显改变,表明有Cd2＋替代ca2＋进入了C—S—H晶体。2种n（Ca）／n（Si）比值的C—S—H在俘获Zn（Ⅱ）后,其XRD图谱变化很微弱,仅特征峰的峰值稍有改变,但是这也显示出Zn（Ⅱ）进入了C—S—H晶体。C—S—H均能对Cd（Ⅱ）、Zn（Ⅱ）予以化学俘获。     

复合材料与界面纳米结构热传导问题分子动力学与连续介质跨尺度耦合模型与算法

构一体化的热、力耦合多尺度模型与算法研究是力学、数学、物理学与材料科学多学科交叉的前沿领域,也是重大装备研发中需要着重解决的基础科学问题。材料与结构在裂纹、空洞、夹杂、纤维取向、基体分布形态等方面具有内在的不确定性,其损伤和破坏还表现为复杂的热力耦合非线性多尺度力学行为。尺度间隙和跨尺度连接,涉及微—细—宏观不同尺度间数学物理模型的联系与差别等基本问题,建立微/纳米尺度的热、力模型,揭示热、力耦合的物理机制,发展材料与结构一体化的宏—细—微观耦合的多尺度模型与算法,具有重要的理论与实际意义。结果表明:复合材料界面结构对于材料的力、热、电、磁等物理、力学性能有十分重要的影响。我们针对复合材料与界面纳米结构热传导问题,发展了一类分子动力学与连续模型跨尺度耦合模式、MD/FEM耦合算法,并编写了相关计算程序。主要进展有:(1)实现了纳米结构导热系数等热学参数的分子动力学计算和量子校正;(2)发展了复合材料和多孔材料周期及随机结构热传导问题连续模型的多尺度算法;(3)提出了一类分子动力学与连续模型的跨尺度关联模式和MD/FEM耦合算法;(4)实现了三维复合材料和界面纳米结构的MD/FEM计算。     

多孔隔热材料临氢氛围微观传热模拟与导热系数

在气化炉内衬的设计计算中,隔热砖导热系数如何准确选取是影响计算结果的关键因素。基于隔热材料的多孔特征及气化炉介质所含氢气的高渗透特性,通过建立微观模型进行了125个工况CFD微观传热模拟,研究了温度、气孔内含氢气体导热系数及微观结构尺度之间的量化关系,提出了利用该关系对较高含氢量（φH2为45％～70％）环境中多孔隔热...     

材料硬度与键合性质关系分析

基于密度泛函第一性原理方法,在广义梯度近似计算条件下获得了多种典型晶体材料的晶体结构和弹性的参数,以imu。nek A.理论小组硬度计算模型为基础,着重分析了晶体硬度与体弹模量B、剪切模量G之间的关系,澄清了难压缩与超硬之间的关系;通过对晶体的键密度和键布居等信息的分析,提出了理论硬度计算模型中的一个改进,并定性预测了化合物晶体成为超硬材料的基本特征,为今后新型超硬材料的理论预测和实验合成提供了重要参考。     

基于均匀化理论的页岩基质流固耦合尺度升级

页岩基质通常由微尺度的有机质和无机质组成,由于这两种介质的力学性质差异较大,且气体在两者中的赋存方式和流动机制均不相同,要准确刻画气体在页岩基质中的流固耦合过程,需针对两种介质建立不同的微尺度模型,但由于计算效率问题,微尺度模型无法直接用于宏观模拟。基于均匀化理论建立一种页岩基质流固耦合尺度升级方法,将微尺度上有机质和无机质各自特征有效地表征到宏观模拟中。首先,将页岩基质看成是由有机质和无机质组成的非均质多孔弹性介质,考虑真实气体在这两种介质中不同的赋存方式和流动机制,建立微尺度流固耦合模型;然后,采用均匀化理论进行尺度升级,推导得到页岩基质的宏观等效流固耦合模型,并给出相关等效参数的定义和计算方式;最后,通过数值算例验证方法的正确性,并分析有机质力学性质、体积分数和分布对页岩气藏宏观流固耦合数值模拟的影响。结果表明有机质弹性模量越小、无机质连通性越好,累积产气量越高,而有机质体积分数越高,早期的累积产气量越低,后期的累积产气量越高。     

基于空心球聚合体的多孔介质有效导热系数的两种模型

根据硬硅钙石型微孔硅酸钙的结构特点,将其简化成空心球聚合成的多孔介质,建立了点接触空心球壳与面接触空心立方体两种单元体模型.采用一维热传导分析,推导出有效导热系数的理论计算公式.计算结果表明,模型计算值与硅酸钙实验值有较好的一致性.理论模型可应用于与微孔硅酸钙具有类似结构的多孔介质导热系数的估算.     

反应条件与硅酸钙水合晶体的生长规律

以扫描电镜和X-射线衍射为主要手段,对不同材料、不同本征钙硅比及不同反应温度条件下所得到的硅酸钙水合晶体进行了结构分析,并讨论了Tobermorite和Xonotlite的生成规律。结果表明:这两种硅酸钙水合晶体与反应条件关系较为密切。     

扫描电镜及电子能谱对硅酸钙水合晶体生产过程的研究

以扫描电镜-电子能谱为主要研究手段,并辅之以X-射线衍射、透射电镜-电子衍射等结构分析方法,对蒸压条件下硅酸钙水合晶体的生成过程进行了较为系统的研究。结果表明,硅酸钙水合晶体的生成经历了水合C_a~(2+)离子扩散进入圆筛藻孔道中、晶核的形成、晶种的生成、晶体长大等几个主要阶段。并结合不同的反应阶段对制备条件的要求进行了有关的讨论。     

一种自修复固化土的抗拉强度试验

固化土在道路工程上运用广泛,其抗压强度高但抗拉强度低,且易产生干缩裂缝导致强度降低.介绍一种具有强度自修复功能的固化剂,并对其开展抗拉(劈裂)强度试验研究.通过室内试验及电镜扫描试验发现,相较于传统的水泥固化土,添加自修复固化剂后,劈裂强度和水稳定性显著提升.养护3d和7d后破坏,水泥土和自修复固化土均具备一定的劈裂强度自修复能力,养护14 d后破坏,自修复效果大部分来源于自修复固化剂,且自修复强度随自修复固化剂掺量的增加而增加.水泥水化反应生成水化硅酸钙胶体(C-S-H),自修复固化剂中的水性聚合物经固化形成均匀的分子网络结构,两者相互搭接,形成了强度更高、孔隙率更小的交互空间结构.     

致密气藏压裂气井产能计算新方法

超低渗致密储层孔喉细小,属于微纳米孔,物性差,属于微纳米级流动,气体普遍存在复杂的非线性渗流效应,如滑脱效应、启动压力梯度及应力敏感效应。本文将超低渗致密气井的生产划分为三个阶段,早期段大裂缝的高速非达西流动,中期段反映裂缝边界控制椭圆达西渗流,晚期段反映基质的低渗非达西渗流。根据扰动椭圆的概念和等价的发展矩形的思想,引入新的拟压力函数,建立综合考虑气体滑脱效应、启动压力梯度、应力敏感效应共同影响下的气井压裂后产能预测模型,为超低渗致密气藏合理产能的求取提供理论依据。研究结果表明：在气井生产过程中,压敏效应对气井产能影响最大,其次是阈压效应,而滑脱效应仅在低压阶段起作用,并且影响较小;压敏效应较强的气藏,应减小气井生产压差。     

PLGA多孔支架降解与成骨细胞相互作用的影响

研究聚丙交酯-乙交酯(PLGA)多孔支架降解和大鼠股骨成骨细胞生理活性之间的相互影响.将大鼠股骨成骨细胞接种于PLGA多孔支架上,观察4周降解时间内成骨细胞增殖活性、碱性磷酸酶(ALP)活性和钙浓度的变化以及PLGA相对分子质量损失、拉伸性能和压缩性能的变化.实验结果表明,支架降解初期,成骨细胞增殖活性较高,ALP活性和分泌钙的浓度较低;支架降解中后期,细胞增殖速度明显减慢,ALP活性和分泌钙的浓度明显下降.接种有细胞的支架降解过程中相对分子质量减小的速度快于对照组,力学拉伸强度和压缩杨氏模量低于对照组.支架材料中后期降解对细胞产生的影响大于降解初期,细胞附着于支架的生理活动加快了支架降解速度.     

分子动力学模拟在钙基地聚合物研究中的进展

随着材料研究从宏观到微观逐步发展的趋势,分子动力学模拟成为研究材料微观结构的重要手段。基于分子动力模拟在钙基地聚合物的研究,综述了分子动力学的基本理论,详细介绍了分子动力学模拟对钙基地聚合物中C—S—H、N—A—S—H和C—A—S—H凝胶的研究进展。通过模拟得到的数据,同已有的实验数据进行对比,验证了计算机模拟的可操作性。最后,指出当前研究中存在的问题并对下一步的工作进行了展望。     

疏水缔合聚合物的流度控制能力研究

通过研究具有缔合能力的疏水缔合聚合物和无缔合能力的线性高分子流度控制能力,认识到：在高渗透多孔介质中,高钙、镁矿化度水质条件下,低分子量高缔合力的疏水缔合聚合物溶液的流度控制能力比高分子量无缔合能力的聚合物强;在经过机械剪切和多孔介质剪切后,低分子量高缔合力的疏水缔合聚合物建立的阻力系数与线性高分子相当,但低分子量高缔合力的疏水缔合聚合物建立的残余阻力系数较高,能够较好地实现提高高渗透油藏水驱波及体积的目的。低分子量高缔合力的聚合物溶液在高钙、镁矿化度水质条件下,较强缔合作用形成的溶液结构适合渤海油田大排量、高渗透多孔介质条件下的流度控制。为海上油田聚合物驱的发展提供理论技术支持。