Kinetic modeling of alite hydration: Influence of aluminum and alkalis on the hydration kinetics of C3S
Creators: name: Wagner, Daniel
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024

description: Understanding the hydration kinetics of tricalcium silicate (C3S) in detail is crucial for predicting the setting behavior of Ordinary Portland Cement (OPC). It is essential to investigate how specific ions (e.g., aluminum or alkalis) influence the reaction rates of C3S, as these are present in OPC. Understanding the effects of these ions, becomes even more prominent as the use of alkali and aluminum containing supplementary cementitious materials (SCMs) grows. This work presents extensive investigations into the influence of aluminum and alkalis (both individually and in combination), with their effects first being described qualitatively. Finally, these qualitative descriptions are integrated into a quantitative kinetic model. For this purpose, two C3S samples are synthesized, differing only in their Al2O3 content. This allows the investigation of the influence of aluminum on the hydration of C3S without the need to add additional chemicals (e.g., Al2SO4 or NaAlO2), which could otherwise further influence the hydration. The influence of alkalis is investigated in this work through KOH dissolved in the mixing solution. KOH is used as an alkali equivalent, as K2O has a larger share in OPC than Na2O and their effect on C3S is very comparable. Furthermore, KOH has the advantage that no other anions, such as SO4 2– (e.g., in K2SO4), need to be introduced into the system, which might otherwise influence the reaction. Various concentrations of KOH solutions are examined in order to also characterize the effect in a concentration-dependent manner. This work presents a comprehensive dataset that provides all parameters needed to calculate reaction rates from pore solution data. Investigations were carried out using heat flow calorimetry, in-situ XRD, pore water analyses of hydration and precipitation experiments, specific surface area determinations (BET method), and thermogravimetric analyses. The dataset obtained was used to calculate C-S-H precipitation rates and compare these with measured reaction rates. This shows the qualitatively described effects of aluminum and alkalis are accurate and can be quantitatively captured by a kinetic model. Thus, both the influence of aluminium and alkalis on the hydration of C3S and respective mechanisms are presented and explained in this work.
description: Ein genaues Verständnis der Hydratationskinetik von Trikalziumsilikat (C3S) ist entscheidend für die Vorhersage des Abbindeverhaltens von Portlandzement (PZ). Dabei ist es wichtig, zu untersuchen, wie bestimmte Ionen (z.B. Aluminium oder Alkalien) die Reaktionsraten von C3S beeinflussen, da diese in PZ vorliegen und ihr jeweiliger Einfluss durch den verstärkten Einsatz von Ersatzstoffen im Zement zunehmend in den Vordergrund rückt. Diese Arbeit präsentiert ausführliche Untersuchungen zum Einfluss von Aluminium und Alkalien (sowohl einzeln als auch in Kombination), wobei die zunächst qualitativ festgestellten Auswirkungen abschließend in ein quantitatives kinetisches Modell integriert werden. Zu diesem Zweck wurden zwei C3S Proben synthetisiert, die sich nur im Al2O3- Gehalt unterscheiden. Dies ermöglichte die Untersuchung des Einflusses von Aluminium auf die Hydratation von C3S, ohne dass zusätzliche Chemikalien (z.B. Al2SO4 oder NaAlO2) hinzugefügt werden mussten, die die Hydratation weiter beeinflusst hätten. Der Einfluss von Alkalien wurde in dieser Arbeit durch in der Anmachlösung gelöstes KOH untersucht. KOH wurde als Alkalienäquivalent verwendet, da K2O einen größeren Anteil im PZ hat als Na2O und der Einfluss beider sehr vergleichbar ist. Zudem hat KOH den Vorteil, dass keine anderen Anionen wie SO4 2– (z.B. in K2SO4) in das System gebracht werden mussten, die die Reaktion anderweitig beeinflussen. Verschiedene Konzentrationen von KOH-Lösungen wurden untersucht, um den Effekt auch konzentrationsabhängig charakterisieren zu können. In dieser Arbeit wird ein umfangreicher Datensatz vorgestellt, der alle Parameter liefert, die zur Berechnung der Reaktionsraten aus den Porenlösungsdaten benötigt werden. Untersuchungen wurden mittels Wärmeflusskalorimetrie, in-situ XRD, Porenwasseranalysen von Hydratations- und Fällungsexperimenten, spezifische Oberflächenbestimmungen (BET-Methodik) und thermogravimetrischen Analysen durchgeführt. Der so erhaltene Datensatz wurde verwendet, um C-S-H-Fällungsraten zu berechnen und diese mit gemessenen Reaktionsraten zu vergleichen. Dabei konnte gezeigt werden, dass die qualitativ beschriebenen Effekte von Aluminium und Alkalien zutreffend sind und diese durch ein kinetisches Modell quantitativ erfasst werden können. Somit konnte sowohl der Mechanismus des Einflusses von Aluminium auf die C3S Hydratation dargestellt werden, als auch die Wirkung von Alkalien auf die C3S Hydratation erklärt werden.