Molecular insight into the initial hydration of tricalcium aluminate

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作者
Xing Ming,Wen Si,Qinglu Yu,Zhaoyang Sun,Guotao Qiu,Mingli Cao,Yunjian Li,Zongjin Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:15 (1): 2929-2929 被引量:27
标识
DOI:10.1038/s41467-024-47164-0
摘要

Abstract Portland cement (PC) is ubiquitously used in construction for centuries, yet the elucidation of its early-age hydration remains a challenge. Understanding the initial hydration progress of tricalcium aluminate (C 3 A) at molecular scale is thus crucial for tackling this challenge as it exhibits a proclivity for early-stage hydration and plays a pivotal role in structural build-up of cement colloids. Herein, we implement a series of ab-initio calculations to probe the intricate molecular interactions of C 3 A during its initial hydration process. The C 3 A surface exhibits remarkable chemical activity in promoting water dissociation, which in turn facilitates the gradual desorption of Ca ions through a metal-proton exchange reaction. The dissolution pathways and free energies of these Ca ions follow the ligand-exchange mechanism with multiple sequential reactions to form the ultimate products where Ca ions adopt fivefold or sixfold coordination. Finally, these Ca complexes reprecipitate on the remaining Al-rich layer through the interface-coupled dissolution-reprecipitation mechanism, demonstrating dynamically stable inner-sphere adsorption states. The above results are helpful in unmasking the early-age hydration of PC and advancing the rational design of cement-based materials through the bottom-up approach.
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