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High-throughput atomistic modeling of nanocrystalline structure and mechanics of calcium aluminate silicate hydrate

纳米晶材料 铝酸盐 材料科学 水合硅酸钙 分子动力学 协调数 硅酸钙 纳米晶 化学工程 化学物理 纳米技术 复合材料 化学 离子 计算化学 有机化学 水泥 工程类
作者
Yunjian Li,Cheng Chen,Zhenning Li,Zongjin Li
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:16 (1): 5352-5352 被引量:22
标识
DOI:10.1038/s41467-025-60631-6
摘要

Although aluminum-containing cements have gained attention as environmentally friendly construction materials, the nanocrystalline structure and mechanical behavior of their primary hydration product, calcium aluminate silicate hydrate (C-A-S-H), remain poorly understood due to its complex chemical composition and structural disorder. Here, we present a high-throughput atomistic modeling framework to systematically investigate the structural and mechanical properties of C-A-S-H across a broad range of Ca/Si (1.3-1.9) and Al/Si (0-0.15) ratios. The compositional, structural, and mechanical features of C-A-S-H are accurately captured by molecular dynamics simulations of 1600 distinct C-A-S-H structures constructed using our in-house automatic structure generation program, CASHgen. Our findings highlight the influence of Ca/Si and Al/Si ratios on key C-A-S-H characteristics, including the mean chain length (MCL), interlayer spacing, coordination number and elastic moduli. Specifically, C-A-S-H exhibits optimal mechanical performance at a Ca/Si ratio of approximately 1.5, while further increases in Ca/Si introduce disorder and reduce stiffness. In contrast, increasing the Al/Si ratio promotes chain polymerization, leading to longer MCLs and improved mechanical performance. These results provide atomic-scale insights into the structure-property relationships in C-A-S-H and offer design guidelines for high-performance, low-carbon cementitious materials.
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