Incorporation of Sodium and Aluminum in Cementitious Calcium-Alumino-Silicate-Hydrate C-(A)-S-H Phases Studied by 23Na, 27Al, and 29Si MAS NMR Spectroscopy

水合物 钠 无机化学 化学 水合硅酸钙 钙 硅酸盐 铝 钠同位素 核化学 矿物学 材料科学 冶金 有机化学 水泥
作者
Shengyu Yang,Yiru Yan,Barbara Lothenbach,Jørgen Skibsted
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:125 (51): 27975-27995 被引量:103
标识
DOI:10.1021/acs.jpcc.1c08419
摘要

The partial replacement of Portland cement by aluminosilicate-rich supplementary cementitious materials (SCMs) represents a valuable approach to lower the CO 2 footprint of concrete. However, SCMs alter the composition and structure of the principal binding component, calcium-alumino-silicate-hydrate (C-(A)-S-H), a less-crystalline aluminum-substituted calcium silicate hydrate. The uptake and structural impact of alkalis and aluminum are investigated for synthesized C-(A)-S-H phases with different Ca/Si and Al/Si ratios and alkali (Na + ) contents, using solid-state 23 Na, 27 Al, and 29 Si NMR as principal analytical tools. 29 Si{ 1 H} CP/MAS NMR data propose that the −87 ppm resonance originates from a second type of Q 2 pairing sites most likely in the middle of octameric or longer silicate units. This assignment along with constraints induced by the silicate dreierketten structure results in reliable simulations of the 29 Si NMR spectra. A quantitative 1:1 relation between the Al/Si ratios from 29 Si NMR and the content of fourfold-coordinated Al from 27 Al NMR is observed, which reveals that the 29 Si Q p 2 (1Al) resonance is only associated with Al(IV) in C-(A)-S-H. Combined analysis of the 27 Al and 29 Si NMR spectra can account for sixfold-coordinated Al being present in the bridging sites of the silicate chains as proposed very recently. The sodium uptake is found to decrease with increasing Ca/Si ratio. For C-(A)-S-H phases with high Ca/Si ratios (Ca/Si ≳ 1.0), sodium promotes the incorporation of Al(IV) in the silicate chains but not at low Ca/Si ratios (Ca/Si ≲ 1.0). The results indicate that the mutual uptake of alkali and Al ions is governed by more than one mechanism and depends on the composition/structure of the C-(A)-S-H phase.

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