Dissolution of β-C2S Cement Clinker: Part 2 Atomistic Kinetic Monte Carlo (KMC) Upscaling Approach

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作者
Mohammadreza Izadifar,Neven Ukrainczyk,K. M. Salah Uddin,Bernhard Middendorf,Eduardus Koenders
出处
期刊:Materials [MDPI AG]
卷期号:15 (19): 6716-6716 被引量:14
标识
DOI:10.3390/ma15196716
摘要

Cement clinkers containing mainly belite (β-C2S as a model crystal), replacing alite, offer a promising solution for the development of environmentally friendly solutions to reduce the high level of CO2 emissions in the production of Portland cement. However, the much lower reactivity of belite compared to alite limits the widespread use of belite cements. Therefore, this work presents a fundamental atomistic computational approach for comprehending and quantifying the mesoscopic forward dissolution rate of β-C2S, applied to two reactive crystal facets of (100) and (1¯00). For this, an atomistic kinetic Monte Carlo (KMC) upscaling approach for cement clinker was developed. It was based on the calculated activation energies (ΔG*) under far-from-equilibrium conditions obtained by a molecular dynamic simulation using the combined approach of ReaxFF and metadynamics, as described in the Part 1 paper in this Special Issue. Thus, the individual atomistic dissolution rates were used as input parameters for implementing the KMC upscaling approach coded in MATLAB to study the dissolution time and morphology changes at the mesoscopic scale. Four different cases and 21 event scenarios were considered for the dissolution of calcium atoms (Ca) and silicate monomers. For this purpose, the (100) and (1¯00) facets of a β-C2S crystal were considered using periodic boundary conditions (PBCs). In order to demonstrate the statistical nature of the KMC approach, 40 numerical realizations were presented. The major findings showed a striking layer-by-layer dissolution mechanism in the case of an ideal crystal, where the total dissolution rate was limited by the much slower dissolution of the silicate monomer compared to Ca. The introduction of crystal defects, namely cutting the edges at two crystal boundaries, increased the overall average dissolution rate by a factor of 519.
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