Hydration kinetics of tricalcium silicate: A dataset for reaction rate calculations and nanoscale analysis employing atom probe tomography

Hydratationskinetik von Tricalciumsilikat: Ein Datensatz für die Berechnung von Reaktionsraten und nanoskalige Untersuchung mittels Atomsonden-Tomographie

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  • The hydration of tricalcium silicate (C3S) is a dissolution precipitation process. The dissolution of C3S delivers ions to the pore solution and the hydration products Calcium-Silicate-Hydrate (C-S-H) and portlandite (CH) consume said ions by precipitating from the pore solution. The underlying kinetics of the coupled reaction are to this day not fully understood. This thesis presents efforts to investigate the C3S - water interface at the nanoscale and a comprehensive dataset to calculate individual C3S dissolution rates and C-S-H precipitation rates during hydration. The C3S - water interface is investigated in this work by atom probe tomography (APT), an imaging technique withThe hydration of tricalcium silicate (C3S) is a dissolution precipitation process. The dissolution of C3S delivers ions to the pore solution and the hydration products Calcium-Silicate-Hydrate (C-S-H) and portlandite (CH) consume said ions by precipitating from the pore solution. The underlying kinetics of the coupled reaction are to this day not fully understood. This thesis presents efforts to investigate the C3S - water interface at the nanoscale and a comprehensive dataset to calculate individual C3S dissolution rates and C-S-H precipitation rates during hydration. The C3S - water interface is investigated in this work by atom probe tomography (APT), an imaging technique with three-dimensional nanoscale resolution and chemical identification. In order to obtain samples suitable for APT, a method to synthesize large monocrystalline C3S grains is presented. The synthesis is conducted in an optical floating zone furnace by annealing polycrystalline rods at temperatures just below the melting point of C3S. Large monocrystalline grains (>500 µm) of monoclinic and triclinic polymorphs of C3S could be synthesized. The atom probe tomography experiments conducted with the thus produced samples demonstrate that it is possible to measure tricalcium silicate with this method by carefully adjusting the measurement parameters. Furthermore it could be shown that the sample preparation and measurement conditions employed are harmful to the hydrate phase C-S-H and thus also to potential metastable reaction products forming at the C3S - water interface. These harmful conditions might be avoided by applying a novel sample preparation procedure at cryo conditions. The presented comprehensive dataset contains data for the first 24 hours of hydration of triclinic and monoclinc C3S samples at different water to solid ratios. The measured parameters include XRD and NMR phase contents, pore solution concentrations, specific surface areas, and SEM images at various time steps. With this dataset, it is possible to calculate theoretical C3S dissolution and C-S-H precipitation rates by combination with interfacial dissolution and precipitation rates determined separately. The results show a good fit between the theoretical C-S-H precipitation rates and the actual reaction rates measured for both C3S polymorphs and all investigated water to solid ratios indicating that the applied calculation model incorporates all relevant factors to describe C-S-H precipitation kinetics during C3S hydration. The theoretical C3S dissolution rates in contrast do not fit the actual reaction rates in all investigated systems. This demonstrates that there are important factors missing in the applied calculation model for C3S dissolution kinetics.show moreshow less
  • Die Hydratation von Tricalciumsilicat (C3S) ist ein Lösungs-Fällungs-Prozess. Das Auflösen von C3S trägt Ionen in die Porenlösung ein, welche durch das Ausfallen der Hydratationsprodukte Calcium-Silicat-Hydrat (C-S-H) und Portlandit (CH) wieder der Lösung entzogen werden. Bis zum heutigen Tag ist die dieser gekoppelten Reaktion zugrundeliegende Kinetik noch nicht gänzlich verstanden. Diese Studie beinhaltet Arbeiten zur Untersuchung der Grenzfläche C3S - Wasser im Nanometerbereich sowie einen umfassenden Datensatz für die Berechnung von individuellen C3S Lösungsraten und C-S-H Fällungsraten während der Hydratation. Die Grenzfläche C3S - Wasser wird in dieser Studie mittelsDie Hydratation von Tricalciumsilicat (C3S) ist ein Lösungs-Fällungs-Prozess. Das Auflösen von C3S trägt Ionen in die Porenlösung ein, welche durch das Ausfallen der Hydratationsprodukte Calcium-Silicat-Hydrat (C-S-H) und Portlandit (CH) wieder der Lösung entzogen werden. Bis zum heutigen Tag ist die dieser gekoppelten Reaktion zugrundeliegende Kinetik noch nicht gänzlich verstanden. Diese Studie beinhaltet Arbeiten zur Untersuchung der Grenzfläche C3S - Wasser im Nanometerbereich sowie einen umfassenden Datensatz für die Berechnung von individuellen C3S Lösungsraten und C-S-H Fällungsraten während der Hydratation. Die Grenzfläche C3S - Wasser wird in dieser Studie mittels Atomsondentomographie (APT) untersucht. APT ist eine Analysemethode mit dreidimensionaler nanoskaliger Auflösung und chemischer Analyse. Um für APT geeignete Proben zu erhalten wird eine Methode zur Erzeugung großer einkristalliner C3S Körner vorgestellt. Die Synthese findet in einem optischen Zonenschmelzofen statt, indem polykristalline Rohlinge bei Temperaturen direkt unterhalb des Schmelzpunktes von C3S getempert werden. Mit dieser Methode können große (>500 µm) einkristalline C3S Körner einer monoklinen und einer triklinen Modifikation hergestellt werde. Die Atomsondentomographie-Experimente mit den auf diese Weise hergestellten Proben zeigen, dass es möglich ist C3S mit dieser Methode zu analysieren. Die einzelnen Messparameter müssen hierbei sorgfältig angepasst werden. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die verwendete Probenvorbereitungs-Routine und die Messbedingungen für die Hydratphase C-S-H, und somit auch für ein potenzielles metastabiles Reaktionsprodukt an der Grenzfläche C3S - Wasser, schädlich sind. Diese schädlichen Bedingungen könnten möglicherweise durch die Anwendung einer neuartigen Probenvorbereitungs-Routine unter kryogenen Bedingungen vermieden werden. Der in dieser Arbeit vorgestellte umfassende Datensatz beinhaltet gemessene Daten für die ersten 24 Stunden der Hydratation von monoklinem und triklinem C3S bei verschiedenen Wasserzementwerten. Die gemessenen Parameter beinhalten XRD und NMR Phasengehalte, Porenlösungs-Konzentrationen, spezifische Oberflächen und SEM Aufnahmen zu unterschiedlichen Zeitpunkten während der Hydratation. Dieser Datensatz ermöglicht die Berechnung von theoretischen C3S Auflösungsraten und C-S-H Fällungsraten durch die Kombination mit separat gemessenen Grenzflächen-Raten für Auflösung und Fällung. Die erzielten Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen der berechneten theoretischen C-S-H Fällungsrate und der gemessenen tatsächlichen Reaktionsrate für beide C3S Polymorphe bei allen untersuchten Wasserzementwerten. Dies bedeutet, dass das zugrunde liegende Rechenmodell alle für die Reaktionskinetik der C-S-H Fällung während der C3S Hydratation relevanten Faktoren enthält. Im Gegensatz dazu stimmen die berechneten theoretischen C3S Auflösungsraten nicht mit den gemessenen tatsächlichen Reaktionsraten in den untersuchten Systemen überein. Dies deutet darauf hin, dass für die Auflösungs-Kinetik relevante Faktoren nicht im zugrunde liegenden Rechenmodell berücksichtigt werden.show moreshow less

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Metadaten
Author:Christoph NaberORCiD
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-103358
Referee:Jürgen Neubauer
Advisor:Jürgen Neubauer
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2019
Embargo Date:2019/01/22
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät
Date of final exam:2019/01/18
Release Date:2019/01/28
Tag:Calcium-Silicate-Hydrate (C-S-H); Cement; Hydration; Kinetics; Tricalcium silicate
Pagenumber:70
Institutes:Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 549 Mineralogie
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