水泥是使用最广泛的建筑材料，但其生产过程中通过高温煅烧会释放大量二氧化碳[1]，这使得水泥成为建筑行业的主要排放源。2022年，全球水泥制造业产生了16亿吨二氧化碳（CO2），约占总全球排放量的8%。其中，发展中国家贡献了87%的水泥相关排放[2]。因此，开发绿色粘合材料以替代传统水泥对于实现低碳建筑至关重要。基于矿物和工业废弃物的环境胶凝体系已成为一个有前景的研究方向[[3], [4], [5]]，并代表了走向可持续建筑材料的关键途径。
地质聚合物是这类材料的典型代表。与传统水泥相比，地质聚合物使用了多种原材料，包括粉煤灰、矿渣和煤灰等工业废弃物[[6], [7], [8]]。与水泥生产不同，地质聚合物的合成过程避免了耗能高的高温烧结。相反，会加入碱激活剂（如水玻璃（Na2O·nSiO2·mH2O）和NaOH或Na2SiO3）来引发溶解、解聚和聚合反应。这些反应形成了由[SiO4]和[AlO4]四面体单元组成的三维网络凝胶，金属阳离子（Na+、K+）负责维持电荷平衡[9,10]。这一过程显著减少了二氧化碳排放和能源消耗，同时促进了废弃物的利用，支持了可持续的建筑实践。
根据钙含量，地质聚合物的前驱材料可分为低钙系统和高钙系统[11]。X射线衍射研究表明，低钙材料（如粉煤灰和偏高岭土）主要由SiO2和Al2O3组成，钙含量较低（通常低于10%）[12,13]；而高钙材料（如高炉矿渣和红泥）含有大量钙，有时钙含量甚至超过30%[[14], [15], [16]]。尽管已有研究探讨了这两种系统中的地质聚合物性能，但关于钙的最佳掺入范围及其对凝胶结构和性能的影响仍存在争议。一些研究表明，钙的引入会生成基于钙的地质聚合物（N-C-A-S-H凝胶），其微观结构与N-A-S-H凝胶相似，其中钙离子取代钠离子以平衡三价铝的电荷[17]；而另一些研究则发现过量的钙主要生成C-S-H和C-A-S-H凝胶[18]。在机械性能方面，部分研究指出适量的钙掺入在水化过程中会释放额外的热量，从而改善机械性能并缩短水化时间[19,20]；相反，也有研究认为过量的钙会导致C-A-S-H凝胶的形成，从而降低机械性能[21]。因此，进一步研究钙掺入对碱激活地质聚合物凝胶的影响是必要的。
由于化学成分相似且凝胶呈非晶态，传统的光谱技术（X射线衍射、能量色散X射线光谱、傅里叶变换红外光谱等）难以识别具体的反应产物和结构类型[22,23]。计算技术的进步使得分子动力学模拟成为研究纳米尺度材料性能的重要工具。目前的地质聚合物分子动力学研究已取得进展[24]，主要集中在N-A-S-H凝胶的分子结构建模[25,26]、机械性能分析[27, [28], [29]]、离子扩散[30], [31], [32]以及界面行为研究[33,34]方面。一些研究利用分子动力学研究了含钙的N-A-S-H凝胶的结构和性能。王等人[35]通过加入Ca(OH)2来研究钙对N-A-S-H凝胶的影响，发现钙的加入提高了三维结构稳定性，并使弹性模量、抗压强度和密度线性增加。刘等人[36]和王等人[37]通过混合N-A-S-H凝胶和C-A-S-H凝胶来模拟含钙体系，发现钙能与远处的氧原子形成键，从而稳定凝胶结构。但这些研究使用的非反应力场（如Universal、COMPASS、ClayFF）无法动态模拟水化过程中的化学键断裂和形成，限制了对钙掺入过程中凝胶结构演变的准确描述。
为了真实模拟含钙条件下N-A-S-H凝胶的水化过程，使用ReaxFF进行反应性分子动力学模拟是必要的[38]。与传统非反应力场不同，ReaxFF能够通过键序变化动态模拟化学反应，从而更清晰地揭示凝胶形成机制、反应路径和中间结构。ReaxFF已成功应用于N-A-S-H凝胶的研究。Sadat等人[39]开发了不同Ca/Si比率的NASH-C-S-H复合材料，发现较高的Ca/Si比率会增加C-S-H结构的无序性并降低断裂韧性；陈等人[40]建立了不同Si/Al比率的N-A-S-H凝胶模型，发现较低的Si/Al比率能促进高度聚合的Q3和Q4硅位点的形成，从而提高结构密度和机械性能。这些结果表明ReaxFF在预测N-A-S-H凝胶结构和性能方面非常有效。继续应用ReaxFF模拟含钙N-A-S-H凝胶的水化过程将有助于深入理解微观结构演变和稳定性机制，并为设计高性能绿色胶凝材料提供理论基础。
本研究利用ReaxFF建立了含有Ca2+的非晶N-A-S-H凝胶模型，通过观察凝胶水化过程和Qn的变化来模拟其结构演变。最终结构的综合分析包括键长分布、键角分布和纳米孔特性。
