Efecto de la relación calcio/silicio y de cationes interlaminares en los módulos elásticos del C-S-H

Abstract

El silicato cálcico hidratado (C-S-H), el principal producto de hidratación del cemento Portland, fue estudiado usando dinámica molecular. Al modelo se le incluyeron en su estructura iones sodio y potasio. El objetivo era verificar si la inclusión de álcalis modifica la estructura de los demás átomos y las propiedades elásticas del C-S-H. Las simulaciones se desarrollaron a relaciones Ca/Si de 1.3, 1.5 y 1.7, planteándose dos grupos de estudio. En el primer grupo las celdas tienen una relación álcali/silicio de 0.18 y una densidad de 2.4 g/cm3. El segundo grupo tiene una cantidad constante de agua nominal de 0.18 y diferentes densidades en cada sistema. Se calcularon las funciones de distribución radial, los módulos de Young, cizalla, volumétrico y coeficiente de Poisson. Se encontró́ que la presencia de iones álcalis no ejerce ningún cambio estructural evidente en las capas intralaminares del C-S-H. El efecto solo se presenta en la capa interlaminar donde están confinados. El cambio es evidenciado por un mayor desorden en las posiciones de los átomos de hidrógeno provenientes de las moléculas de agua y de los iones hidróxido. Cuando se comparan los diferentes sistemas con densidad constante, la presencia de iones álcalis en la estructura del C-S-H tiene un impacto negativo en los módulos elásticos, mientras que para los sistemas con contenido de agua constante el efecto es positivo, especialmente con el ion potasio. En general, cambios en la densidad del sistema y la longitud de la cadena de silicatos juegan un papel importante en la definición de los valores de los módulos elásticos del C- S-H. Sin embargo, cuanto cambian los módulos entre sistemas con y sin álcalis es influenciado por el tipo y cantidad de iones interlaminares.

Abstract: Calcium silicate hydrate (CSH), the main hydration product of Portland cement, was studied using molecular dynamics. Sodium and potassium ions were included in the structure of the model. The objective was to verify whether the addition of alkali ions modified the structure of the other atoms and the elastic properties of the C-S-H. The simulations were developed with Ca/Si ratios of 1.3, 1.5 and 1.7, considering two study groups. In the first group the cells have an alkali/silicon ratio of 0.18 and a density of 2.4 g/cm3. The second group has a constant amount of nominal water of 0.18 and different densities in each system. Radial distribution functions, Poisson’s ratios and the bulk, shear and Young’s modulus were calculated. It was found that the presence of alkali ions in the structure does not produce noticeable changes in the intralaminar layers of C–S–H, and structural changes only occur in the interlaminar layer where these ions are confined. The change is evidenced by increased disorder in the positions of the hydrogen atoms from water molecules and hydroxide ions. When the different systems of the first group of simulations with constant density are compared, the presence of alkali ions in the structure of the C-S-H have a negative impact on the elastic modulus, however in the second group of simulations with constant nominal water, the impact is positive, particularly with the potassium ion. In general, changes in the system density and silicate chain length play an important role in defining the values of the elastic moduli of C-S-H. However, the magnitude of the change of the modulus, when comparing systems with and without alkali, is influenced by the type and amount of interlayer ions.