水泥作为一种无机胶凝材料广泛应用于制备混凝土材料,是混凝土强度的重要组成部分。为了减少生产水泥过程中对环境造成的破坏并生产更高性能的水泥,有必要对水泥成分、结构及力学性能进行深入研究。普通硅酸盐水泥的主要成分为硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙以及铁铝酸四钙。在水泥水化过程中,水化硅酸钙凝胶(C-S-H)占水化产物的60%-70%,是重要的组成部分。由于其组成的复杂性,微观结构仍旧存在争议,现有研究表明,在水泥水化初期,水化硅酸钙凝胶的微观结构与自然界中的矿物tobermorite一族的结构相似,而在水泥水化中后期,其微观结构还不能够精确解出。随着研究尺度的不断深入,分子模拟成为人们研究材料结构以及预测材料性能的有效工具。使用分子模拟技术对水泥基材料的微观结构和力学性能的研究可以加深人们对水泥基材料的认识,改进水泥的性质。本文根据前人的相关研究,分别建立了水化硅酸钙、硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙、铁铝酸四钙和钙矾石六种原子结构模型,介绍了Clayff力场、COMPASS力场、INTERFACE力场相关参数并使用这三种力场对上述结构进行几何优化和力学性能计算。通过对计算结果的分析和与实验值以及其他文献值的对比发现:力场的选取对结构的优化和力学性能参数的计算有着重要的影响,力场中的势函数类型和原子类型与计算结果息息相关。在几何优化方面,使用Clayff力场、COMPASS力场、INTERFACE力场能够较为准确的对结构进行重建,优化后的结果与实验值的误差小于10%。其中:COMPASS力场最适用于tobermorite 9?的优化,INTERFACE力场最适用于tobermorite11?和14?以及硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和钙矾石的优化,Clayff适用于铁铝酸四钙的优化。在力学参数计算中,使用Clayff力场对铁铝酸四钙的计算结果与其他文献值接近,对上述其他结构的计算结果与文献值偏差较大,而使用COMPASS力场和INTERFACE力场对tobermorite一族的计算结果相近并且与其它文献值接近,INTERFACE力场更适于硅酸二钙、硅酸三钙、铝酸三钙和钙矾石的计算。在上述研究的基础上,将tobermorite一族在三个方向上进行三倍复制形成超胞结构用于模拟水化硅酸钙的低钙硅比结构,并采用Pellenq’s model模拟水化硅酸钙的高钙硅比结构,同时对上述结构在其层间方向上进行单轴拉伸模拟,研究它们在受荷状态下的结构变化和力学性能,得到了两类结构在单轴拉伸下的应力应变曲线,并使用粒子的相对浓度和均方根位移对两类结构的变形发展情况进行分析。同时,为了减少模拟过程中出现的误差,分别对tobermorite 9?、11?、14?和Pellenq’s model进行了多次单轴拉伸模拟,得到结构的应力应变曲线具有很好的一致性,这也证明了结构单轴拉伸的计算模拟结果的准确性。通过上述研究表明:结构在层间方向上的强度与层间距和层间水分子含量有关,层间距的增大会减弱层间O-Ca-O之间的相互作用导致结构在z轴方向上抗拉强度降低,随着层间距的增大,结构出现明显的脆性断裂。同时,层间水分子的存在会取代层间O-Ca-O的成键形成弱作用的氢键和Ca-O键,同样导致结构抗拉强度的大幅度减少,随着水分子含量的增多结构在z轴方向上的抗拉强度显著下降并改变结构的断裂形式,水化硅酸钙低钙硅比结构的破坏形式为脆性断裂,而高钙硅比结构中由于层间大量水分子的存在导致结构出现滑移破坏。此外,Ca离子的增多有助于提高结构的强度,Ca离子会增加与其相邻的硅氧四面体之间的相互作用从而使结构的强度提高。