一石五鸟！国人团队MD模拟佳作来了

molecular dynamics

Part.01

水泥基材料因其优异的力学性能、耐久性及原料易得性，已成为全球应用最广泛的建筑材料之一，在道路、桥梁、大坝及建筑等基础设施建设中发挥着关键作用。

然而，传统用于水泥基材料的纳米材料普遍存在分散性差、生产成本高的问题，易导致水化热过高、流动性不足，这些缺陷制约了其大规模应用。

DOI: 10.1016/j.jclepro.2025.147327

鉴于此，2025年12月16日，台州学院建筑工程学院何闯团队在Journal of Cleaner Production上发表研究成果。

为应对这些挑战，本研究提出“一石五鸟”策略，通过开发新型蔗糖衍生碳点，同步实现水泥基材料的五项关键性能提升：高分散性、低成本、低水化热、高流动性以及显著增强的力学强度与耐久性。

微观表征与分子动力学模拟表明，SCDs通过表面吸附与钙离子络合作用延缓水化过程，借助颗粒润滑与界面水调控改善工作性，并通过促进C-S-H凝胶形成与增强氯离子物理吸附来提升强度与耐久性。

本研究设计了一种多功能碳基纳米材料以增强水泥基材料性能，有效克服了分散性差、成本高、水化热过高、流动性不足及力学强度与耐久性提升有限等五大瓶颈，为开发下一代高性能建筑材料提供了可持续的技术路径。

Part.02

1、SCDs的合成

蔗糖衍生碳点采用水热法制备。具体步骤如图1所示：称取10克蔗糖，加入40毫升去离子水中，磁力搅拌5分钟确保完全溶解。

随后将溶液转移至100毫升聚四氟乙烯内衬的高压反应釜中，置于恒温烘箱内于180°C保持12小时。所得悬浮液自然冷却至室温后，使用滤纸过滤去除较大的颗粒杂质。

图1. SCDs（硫掺杂碳点）的合成流程

2、SCDs的设计理念

碳点具有遗传特性，即能够继承其前驱体的特定物理化学性质。因此，基于应用需求合理选择前驱体材料与合成策略，可定向设计定制化的蔗糖衍生碳点，从而实现对水泥水化放热的调控并促进水化产物生成。

图2. SCDs材料的设计理念示意图

通过结合碳点的固有特性、已确立的水泥水化延缓机制以及氧化石墨烯与碳纳米管增强水化产物生成的成核效应，本研究依次设计了蔗糖衍生碳点的碳核与官能团结构（图2）。

3、SCDs的特性表征

通过透射电子显微镜图像确定合成蔗糖衍生碳点的形貌特征。图3a显示所制备的蔗糖衍生碳点呈单分散近似球形形貌；尽管颗粒可能相邻分布，但未观察到明显团聚现象，图3b中狭窄的粒径分布也佐证了这一点。

图3. SCDs的微观形貌表征

对颗粒尺寸的统计分析（基于随机选取的100个颗粒）表明，蔗糖衍生碳点的粒径范围为6.43纳米至12.25纳米，平均尺寸约为9.13纳米（图3b）。

4、SCDs的分散稳定性

高分散稳定性是纳米材料在水泥基材料中有效发挥其有益作用的关键前提。如图4所示，含有不同浓度蔗糖衍生碳点的氢氧化钙饱和溶液在储存7天后均未出现沉淀。随着蔗糖衍生碳点浓度的增加，溶液在日光下呈现逐渐明显的黄绿色。

图4. (a) 含SCDs的饱和Ca(OH)₂溶液在太阳光及365 nm紫外光下的照片；(b) 紫外-可见吸收光谱

5、水化热测试

采用等温量热法研究了掺入与未掺入蔗糖衍生碳点的水泥净浆的水化动力学。如图5所示，掺入蔗糖衍生碳点的水泥净浆的累计放热量与对照组相比显著降低，且降低幅度随蔗糖衍生碳点浓度的增加而逐渐增大。这种行为与常用于水泥改性的碳基纳米材料形成鲜明对比，后者通常会促进水泥水化。

图5. 不同水泥浆体的水化行为分析

6、力学性能

为更清晰地理解SCDs对水泥基材料力学性能的影响，对SCDs改性水泥砂浆进行了抗压强度测试。如图6所示，所有试样的力学性能均随养护时间的延长而逐步发展，且SCDs的掺入在所有养护龄期均增强了水泥砂浆的抗压强度。

图6. 掺与未掺SCDs水泥砂浆在不同养护龄期的抗压强度

7、分子动力学模拟

图7展示了硅酸盐四面体单元在C-S-H/SCDs界面的典型吸附快照。初始弛豫后，硅酸盐四面体单元均匀分散在整个体系中，未出现明显聚集。随后的模拟过程显示，硅酸盐四面体单元逐渐吸附到SCDs和C-S-H（下方区域）表面。

图7. C-S-H/SCDs吸附硅氧四面体单元在不同时段的分子模拟快照

值得注意的是，吸附在SCDs表面的硅酸盐四面体单元数量随时间持续增加，表明其可能作为成核位点促进C-S-H的生长。最终，硅酸盐四面体单元主要富集在SCDs表面。

综上所述，本研究通过实施“一石五鸟”策略，成功克服了传统纳米材料成本高、分散性差、水化热过高、流动性不足以及对力学性能与耐久性提升有限等主要缺陷。

研究系统揭示了蔗糖衍生碳点在水泥基材料中的多维作用机制：通过精心设计与合成新型高分散、低成本的碳基纳米材料——蔗糖衍生碳点，系统阐明了其对水泥基材料水化过程、工作性能、氯离子结合行为及力学性能的影响及其内在作用机理。