通过热动力学和分子动力学研究Ca2+与SO42?对α-硫酸钙半水合物水合过程的影响

《Journal of the American Ceramic Society》：Decoupling Ca2+ and SO42? effects on α-calcium sulfate hemihydrate hydration by thermokinetics and molecular dynamics

石膏基材料中Ca2?和SO?2?离子对水化动力学的离子特异性效应及其微观结构调控机制研究。通过热动力学分析、实验验证和分子动力学模拟发现：SO?2?浓度依赖性加速水化，促进溶解-结晶协同机制，优化晶体结构；而Ca2?通过共离子效应和表面吸附抑制溶解过程，导致晶体粗化、强度下降。揭示了离子调控水化过程的扩散控制与界面反应主导阶段差异，为材料性能优化提供理论依据。

　　

摘要

Ca²⁺和SO₄^2?作为控制水化动力学和石膏基材料性能的关键离子，其具体作用机制尚未明确。通过热动力学分析、实验验证和分子动力学模拟，系统研究了外源Ca²⁺/SO₄^2?对α-硫酸钙半水合物（α-HH）水化的特异性影响。Ca²⁺并未促进水化过程，而SO₄^2?则表现出浓度依赖性的增强作用。Krstulovi??Dabi?模型表明，水化过程从成核和晶体生长阶段转变为界面反应和扩散控制阶段。尽管这两种离子都增强了热力学驱动力，但Ca²⁺通过共离子效应抑制溶解过程并吸附在HH表面，从而减缓了水化动力学。相比之下，在高过饱和度下，SO₄^2?通过加速成核和晶体生长动态促进了溶解，从而维持了较高的过饱和度。后期SO₄^2?浓度的增加进一步缓解了扩散控制的限制，提高了整体水化动力学。这种离子特异性机制导致了微观结构的不同：外源Ca²⁺使得硫酸钙二水合物晶体变得粗糙，抗压强度降低了21%；而SO₄^2?则促进了晶体的精细化，增强了晶体间的相互结合，使抗压强度比对照组提高了16%。这一机制的阐明为调控水化过程、优化微观结构和提高石膏基材料的性能提供了重要指导。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或可能影响本文研究工作的个人关系。