Scaling of nanoscale elastic and tensile failure properties of cementitious calcium-silicate-hydrate materials at cryogenic temperatures: A molecular simulation study

极限抗拉强度 缩放比例 材料科学 分子动力学 水合硅酸钙 胶凝的 复合材料 纳米尺度 断裂(地质) 弹性模量 热力学 纳米技术 化学 计算化学 水泥 物理 数学 几何学
作者
Xinping Zhu,Laurent Brochard,Matthieu Vandamme,Zhengwu Jiang
出处
期刊:Cement and Concrete Research [Elsevier]
卷期号:172: 107242-107242 被引量:19
标识
DOI:10.1016/j.cemconres.2023.107242
摘要

This paper investigates the scaling of the nanoscopic elastic and tensile failure properties of calcium-silicate-hydrate (C-S-H). We report a Zhurkov-like scaling behavior for disordered C-S-H of various compositions at cryogenic temperatures, using molecular dynamics simulations. To this end, we first propose a revised molecular construction route to generate C-S-H atomic configurations with varying compositions. Then, we investigate how the tensile behavior evolves with temperature, system size, and strain rate. Our simulation results show that tensile strength, Young's modulus, fracture energy, and fracture-process zone (FPZ) length, all follow a Zhurkov-like scaling law providing a general temperature-size-time equivalence. Such scaling laws make it possible to extrapolate molecular simulation results to larger length and/or time scales. Detailed analysis shows that the typical FPZ length of C-S-H is about 150 Å, and the maximum reduction of activation energy barriers for tensile failure is 0.497 and 0.446 eV for Ca/Si of 1.7 and 1.1, respectively.

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