Freezing of water confined between calcium-silicate-hydrate layers: a coarse-grained molecular dynamics study

分子动力学 材料科学 硅酸盐 硅酸钙 化学物理 冰点 水合硅酸钙 化学工程 水合物 多孔性 成核 承压水 热力学 复合材料 分子 化学 计算化学 物理 有机化学 水泥 工程类
作者
Zhiyu Wang,Rui Yu,Zechuan Yu,Yuan Ping Feng,Enlai Dong
出处
期刊:Journal of Sustainable Cement-Based Materials [Informa]
卷期号:: 1-16
标识
DOI:10.1080/21650373.2023.2297381
摘要

Freezing of water has a direct impact on the durability of cementitious materials, which include porous binding phases, like calcium-silicate-hydrate (CSH). Molecular dynamics (MD) simulations can capture behaviors of the water freezing in the pores and may give rise to insightful observations. In this work, the monoatomic water (mW) model and all-atom CSH model are combined to study low-temperature behavior of water molecules restricted within CSH layers. The developed model features good accuracy and accelerated computational rate, and is employed to study how ultra-confined water in CSH phases (≤6 nm) freezes. The threshold width of CSH gap that allows the stable existence of ice is 1.5 ± 0.1 nm. A non-icing layer with an average thickness of ∼0.65 nm exists ambient to CSH surface. The main factor affecting the melting point of confined water is the size of the confined space rather than the water filling fraction. The Gibbs-Thomson model is utilized to describe the relationship between the melting temperature and the width of the confined CSH layers. The utilization of this modeling technique presents a novel approach to replicate the freezing process of nanostructures in cementitious composites subjected to low-temperature erosion.
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