Research Progress on Crystal Form Modification of Ye’elimite and Its Effect on Hydration Process

doi:10.16552/j.cnki.issn1001-1625.2026.0262

Abstract

Abstract:

Ye’elimite （C₄A₃S） is the principal clinker mineral in sulfoaluminate cement， characterized by low carbon emissions and high early-age reactivity. C₄A₃S exists in three polymorphic forms： cubic， orthorhombic， and tetragonal systems， which exhibit distinct hydration activities. Therefore， elucidating the relationship between crystal structure and hydration activity of C₄A₃S and achieving effective regulation of its crystal form are of great significance for developing novel sulfoaluminate cement clinker systems. This paper systematically reviews the crystal form regulation methods of C₄A₃S， including temperature control method， molten salt synthesis method， and ion doping method， with emphasis on analyzing the efficacy and underlying mechanisms of different regulation methods. On this basis， combined with the structural characteristics of various C₄A₃S crystal form， the influence of crystal form regulation on hydration kinetics， hydration activity， and hydration products is summarized and analyzed， providing theoretical references for the application of C₄A₃S crystal form regulation technology in sulfoaluminate cement.

Key words: ye’elimite, crystal structure, unit cell parameter, polymorph regulation, hydration performance

CLC Number:

TQ172

XU Mingfeng, WANG Lancheng, NIE Song, ZHOU Jian, LI Hui, PI Zhenyu. Research Progress on Crystal Form Modification of Ye’elimite and Its Effect on Hydration Process[J]. BULLETIN OF THE CHINESE CERAMIC SOCIETY, 2026, 45(9): 2967-2983.

Figures/Tables 17

Fig.1 Schematic diagram of crystal form of C4A3S ［17］

Table 1 Crystal structure of C4A3S

Crystal system	Unit cell parameter	Space group	Year	Reference
Cubic	a₀=18.39 Å	I4₁32	1962	［23］
Cubic	—	I23	1965	［24］
Cubic	a₀=18.41 Å	I4₁32	1972	［25］
Cubic	a= 1.5 nm	I43m	1990	［28］
Cubic	a=9.167 Å	I43m	1988	［27］
Cubic	a=9.197 Å	I43m	1996	［26］
Cubic	a=9.197 Å	I43m	2023	［29］
Orthorhombic	a₀=27.50 Å， b₀=38.15 Å， c₀=12.97 Å	Pcc2	1988	［27］
Orthorhombic	a=13.028 Å， b=13.037 Å， c=9.161 Å	Pcc2	1995	［34］
Orthorhombic	a=13.035 6 Å， b=13.035 0Å， c=9.167 7 Å	Pcc2	2013	［17］
Tetragonal	a=13.03 Å， c=9.16 Å	P4c2	1989/1991	［36-37］
Tetragonal	a=13.031 Å， c=9.163 Å	P4₁22	1992	［22］
Tetragonal	a=9.505 Å， c=9.516 Å	I4	2013	［17］

Fig.2 Theoretical calculation energy value of space group C4A3S［17］

Fig.3 Differential thermal analysis curves for heating and cooling process［41］

Fig.4 Effects of repeated calcination method and rapid cooling method on crystal form of C4A3S［43］

Table 2 Crystal form of C4A3S regulation by molten salt method

Flux	Reaction temperature/℃	Holding time/h	Modulation effect	Reference
Bi₂O₃	1 250	24	Unfavorable	［47］
PbCl₂	850	24	Moderate	［46］
PbCl₂	1 020	36	Moderate	［46］
PbCl₂	550	48	Moderate	［45］
	650	48	Moderate
	750	48	Moderate
	850	48	Moderate
CaCl₂， CaBr₂， KCl	850	96	Unfavorable	［43］
	800	18	Unfavorable
	790	40	Unfavorable

Fig.5 Crystal form of C4A3S regulation by different fluxes

Fig.6 Effect of Fe3+ doping on crystal form of C4A3S

Fig.7 Effect of Ga3+ doping on crystal structure of C4A3S［43］

Fig.8 Effect of Ga3+ doping on CaO n polyhedra in C4A3S crystal［43］

Fig.9 Relationship between unit cell parameter of C4A3S and Ba2+ content （x represents Ba2+ content）［60］

Fig.10 Effects of Ba2+ and Sr2+ doping on crystal form of C4A3S

Fig.11 Changes in cubic C4A3S and C4AF content of clinkers calcined at 1 300 ℃ （B represents gypsum content）［70］

Fig.12 Hydration process and phase evolution of C4A3S［81］

Fig.13 Hydration heat release curves of iron-solid solution 水化放热曲线［43］ cubic C4A3S and orthorhombic C4A3S［17］

Fig.14 Hydration heat release curves of gallium-solid solution cubic C4A3S and orthorhombic C4A3S［43］

Fig.15 Schematic diagram of AH3 formation during hydration process of st-ye’elimite （orthorhombic C4A3S） and ss-ye’elimite （cubic C4A3S）［90］

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