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标题：Effects of Bisphenol A Diglycidyl Ether (DGEBA) Epoxy on theProperties of Mortar: From Macro to Nano Scale

期刊：ACS Appl. Nano Mater.

网址：https://doi.org/10.1021/acsanm.5c01860

一、文章摘要

该研究通过宏观和微观相结合的实验，探究了 DGEBA含量对环氧砂浆性能提升的影响。在此基础上，通过分子动力学（MD）模拟的表征方法，揭示了砂浆中环氧分子在纳米尺度下的原子间结合情况，并进一步揭示了吸附界面的结合机制。通过力学测试发现，当 DGEBA:m-PDA =5:1时，环氧对砂浆性能的提升效果显著。当含量为0.10%时，砂浆的抗压强度和抗弯强度分别为64.53 和8.39 MPa。通过界面结合测试来表征其与建筑构件的结合情况。在此基础上，对砂浆的耐久性、水化性能和微观特性进行了测试。最后，通过 MD模拟揭示了环氧与钙硅酸盐水化物（C-S-H）界面之间的结合机制。根据上述方法，发现 DGEBA 的柔性链结构能够调节体系的聚集状态，进而影响环氧与 C-S-H之间的界面相互作用。更重要的是，环氧树脂的“锁水效应”这一创新性影响机制被提出，进一步促进了水泥的早期水化反应。此外，固化后的环氧树脂颗粒能够填充砂浆的内部孔隙，从而进一步提高试件的密度。当环氧树脂的含量为0.10%时，固化后的环氧树脂颗粒能够进一步提高试件的密度，填充砂浆的内部孔隙。

二、计算图文

表 1.改性砂浆的孔隙特征参数

图 6.环氧砂浆的建模：（a）二乙烯基乙二醇单丁醚（DGEBA）和间苯二胺（m-PDA）分子链；（b）环氧树脂；（c）碳-硅-氢模型；（d）环氧砂浆模型。

图7.环氧/碳硫氢键吸附结构：（a）EP-3；（b）EP-4；（c）EP-5；（d）EP-6。

图8. （a）重心高度；（b）平均加速度平方。

图9.接口结合：（a）钙 -氧的径向分布函数；（b）EP-3处氢键键的径向分布函数；（c）EP-4处氢键键的径向分布函数；（d）EP-5处氢键键的径向分布函数；（e）EP-6处氢键键的径向分布函数；（f）拓扑构象函数

三、计算与实验的关联

3.1. 宏观性能与微观模拟的因果互证

实验数据驱动模拟目标：

力学性能（图S3）：EP-5组（DGEBA:m-PDA=5:1, 环氧含量0.10%）的28d抗压强度（64.53 MPa）和抗折强度（8.39 MPa）最优。

耐久性（图S5）：EP-5组吸水率最低（3.92%），收缩率最小（表S2）。

孔隙结构（表1）：EP-5组总孔隙率最低（16.53%），平均孔径最小（25.35 nm）。

模拟验证机制：

界面吸附构型（图7c）：EP-5组环氧分子在C-S-H表面均匀铺展，质心高度最低（图8a），解释其高界面结合强度（宏观抗折强度8.39 MPa）。

键合稳定性：EP-5组的Ca-O键距离最短（2.51 Å，图9a）且TCF值最高（图9f），对应宏观耐久性优势（低吸水率/收缩率）。

3.2. 多尺度现象的统一解释

实验现象 → 模拟归因：

"水锁效应"机制：

实验：XRD显示EP-5组早期水化产物Ca(OH)₂最多（图2a），归因于环氧携带水分子加速水化。

模拟：EP-5组H键网格密集（图9d），限制水分子扩散，验证"水锁效应"（减少水分蒸发，促进水化）。

孔隙填充机制：

实验：汞侵入法显示EP-5组微米级孔隙最少（图4）。

模拟：EP-5的柔性分子链填充孔隙（图6b），降低MSD值（图8b），证实环氧颗粒的致密化作用。

3.3. 计算参数与实验条件的严格对应

模型构建的实证基础：

成分一致性：

模拟中的C-S-H模型（Ca/Si=1.69）基于实验所用水泥的化学成分（表S1：CaO 61.43%，SiO₂ 20.89%）。

环境匹配：

模拟在真空环境下进行（排除溶液干扰），专注于环氧/C-S-H本征吸附，与实验的早期水化阶段（7d）直接关联。

失效案例验证：

实验：高DGEBA组（EP-6）强度下降（图S3c），因环氧团聚阻碍水化。

模拟：EP-6组分子链聚集（图7d），MSD值升高（图8b），原子迁移加剧导致界面失稳。

3.4. 循环优化逻辑：实验→模拟→设计

问题发现：实验显示环氧含量>0.10%时性能下降（图S3）。

机制解析：模拟揭示过量DGEBA导致分子链自由态（图7d），破坏系统稳定性。

设计指导：基于EP-5组的优化吸附构型（图7c），提出"DGEBA:m-PDA=5:1+环氧0.10%"为最佳配比。

3.5结论：从现象到机制的完整证据链

两篇文档通过 "宏观性能→微观表征→模拟机制→设计反馈" 四步闭环，建立计算与实验的强关联：

实验数据锚定关键组（EP-5性能最优）→

模拟揭示原子级根源（界面吸附/键合优势）→

多尺度互证（孔隙分布→分子填充；水化产物→水锁效应）→

指导材料设计（DGEBA比例阈值控制）。
创新点：首次通过MD模拟量化环氧柔性链对C-S-H界面的调控作用，为聚合物改性水泥基材料提供原子尺度设计范式。

四、计算方法

4.1. 模型构建流程

分子结构初始化：

软件：Materials Studio 8.0。

DGEBA与m-PDA分子模型（图6a）：

DGEBA化学式：C₂₁H₂₄O₄，m-PDA化学式：C₆H₈N₂。

交联反应：通过Perl脚本实现DGEBA与m-PDA的固化，经退火处理（动态弛豫）达到系统平衡。

C-S-H模型：

基于 11Å tobermorite 结构（Ca/Si=1.69），化学式：(CaO)_1.69(SiO₂)₂H2O。

复制扩展后经NPT系综（恒温恒压）模拟1000 ps，沿[001]方向切割创建界面。

4.2. 模拟参数与算法

力场与系综：

力场：COMPASS力场（适用于有机-无机杂化体系）。

系综：NVT系综（恒温恒容）。

环境参数：

温度：298 K（室温环境）。

步长：1 fs（飞秒级精度）。

模拟时长：3000 ps（确保系统平衡）。

边界条件：z轴设置真空层（消除周期性边界效应）。

关键分析算法：

径向分布函数（RDF）：计算原子间距分布，用于分析Ca-O键（阈值≤2.5 Å）和H键（图9a-e）。

平均平方位移（MSD）：量化原子空间运动

时间相关函数（TCF）：评估键合稳定性（图9f），值越高表明键合越稳定。