Hydration in the ternary system calcium sulfoaluminate - ordinary Portland cement - calcium sulfate: Kinetics, mechanisms, performance and the impact of Li2CO3 addition
Hydratation im ternären System Calciumsulfoaluminat - Portlandzement - Calciumsulfat: Kinetiken, Mechanismen, Leistungsfähigkeit und der Einfluss von Li2CO3
Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-179551
- CSA-OPC-C$ blends are used for applications where rapid setting and drying is desired. The hydration process is complex due to the multitude of involved phases, metastability
issues and amorphous nature of hydrates. Overall little research concerning the early hydration
kinetics in such blends has been published and this thesis aims to contribute towards
a further understanding of these systems. By means of predominantly XRD, pore solution
analysis and thermodynamic calculations, a basic hydration scheme is developed. Based on
thermodynamic modeling five different ternary blends are chosen for further investigation.
The hydration process is documented from the point of mixing up to 28CSA-OPC-C$ blends are used for applications where rapid setting and drying is desired. The hydration process is complex due to the multitude of involved phases, metastability
issues and amorphous nature of hydrates. Overall little research concerning the early hydration
kinetics in such blends has been published and this thesis aims to contribute towards
a further understanding of these systems. By means of predominantly XRD, pore solution
analysis and thermodynamic calculations, a basic hydration scheme is developed. Based on
thermodynamic modeling five different ternary blends are chosen for further investigation.
The hydration process is documented from the point of mixing up to 28 d. It was found
that the hydration process can be divided in two main periods. The early period is characterized
by the rapid dissolution of ye’elimite and Ca-sulfate, resulting in the formation of
ettringite and amorphous aluminum hydroxide. During this period low pH values prevail,
with high Al and S concentrations and low Ca concentrations in the pore solution. Contrary
to predominant literature reports, alite can in fact react to significant degree under these
conditions. The early C3S dissolution kinetics were found to depend on the availability of
reactive calcium sulfate. This early C3S reaction directly contributes to the precipitation of
ettringite. An amorphous silicon bearing hydrate of unknown nature must form at this early
stage. With increasing pH values in the liquid phase and either the enrichment or depletion
of Al in the pore solution, a second state is initiated. The initially formed silicon bearing
hydrate and amorphous aluminum hydroxide are destabilized and either C-S-H precipitation
or straetlingite crystallization ensues. Upon C-S-H formation the alite reaction rate is significantly
increased and the kinetics resemble the main C3S reaction in OPC systems. For the
systems poor in anhydrite high oversaturations with respect to straetlingite are observed in
this second stage. These translate to high potential crystallization pressures. It was found
that the late crystallization of straetlingite results in potential tensile stresses exceeding
the tensile strength of the material, resulting in a higher fraction of capillary pores, and
decreased mechanical performance. The addition of Li2CO3 results in accelerated dissolution
of ye’elimite and alite and increased precipitation of ettringite. Significantly reduced
ye’elimite dissolution rates are observed when exceeding a critical dosage of Li2CO3. This
results in an earlier transition towards the C-S-H forming stage in the respective blend.…
- Ternäre CSA-OPC-C$ Systeme finden Anwendung in speziellen Bereichen, bei denen vordergründig ein rasches Erhärten und Trocknen des Baustoffs erwünscht ist. Der Hydratationsprozess solcher Systeme ist durch die Vielzahl beteiligter Phasen, den auftretenden Metastabilitäten und dem amorphen Charakter der gebildeten Hydratphasen äußerst komplex. Nur wenige Publikationen befassen sich mit den frühen Hydratationskinetiken solcher Systeme und das Ziel dieser Dissertation ist es, ein Verständnis für wesentliche Interaktionen und Mechanismen zu schaffen. Ein grundlegendes Hydratationsschema wird vorwiegend mit Hilfe von XRD, Porenwasseranalysen und thermodynamischen Berechnungen erstellt. BasierendTernäre CSA-OPC-C$ Systeme finden Anwendung in speziellen Bereichen, bei denen vordergründig ein rasches Erhärten und Trocknen des Baustoffs erwünscht ist. Der Hydratationsprozess solcher Systeme ist durch die Vielzahl beteiligter Phasen, den auftretenden Metastabilitäten und dem amorphen Charakter der gebildeten Hydratphasen äußerst komplex. Nur wenige Publikationen befassen sich mit den frühen Hydratationskinetiken solcher Systeme und das Ziel dieser Dissertation ist es, ein Verständnis für wesentliche Interaktionen und Mechanismen zu schaffen. Ein grundlegendes Hydratationsschema wird vorwiegend mit Hilfe von XRD, Porenwasseranalysen und thermodynamischen Berechnungen erstellt. Basierend auf thermodynamischen Modellierungen werden fünf unterschiedliche Zusammensetzungen
für weiterführende Analysen ausgewählt. Der Hydratationsprozess wird vom Zeitpunkt des
Anrührens bis zu einer Dauer von 28 Tagen dokumentiert. Generell teilt sich die Hydratation in zwei Hauptphasen auf. In der Frühzeit erfolgt vorwiegend die Lösung von Ye’elimit und
Calciumsulfat, was in der Bildung von Ettringit und amorphen Aluminiumhydroxid resultiert.
Die Porenlösung in dieser Periode ist gekennzeichnet durch niedrige pH-Werte, hohe Al und S Konzentrationen und niedrige Ca Konzentrationen. Im Gegensatz zur vorherrschenden Literaturmeinung, kann auch in dieser Phase eine signifikante Lösung des Alits erfolgen. Die
Lösungskinetik des C3S ist in dieser Phase an die Verfügbarkeit von Calciumsulfat gekoppelt.
Aus der frühen Lösung des Alits erfolgt eine verstärkte Ausfällung von Ettringit. Zudem muss sich eine röntgenamorphe, Silizium-haltige Hydratephase bilden, deren genaue Zusammensetzung
ungewiss ist. Mit einer Zunahme des pH-Werts in der flüssigen Phase und der
Anreicherung oder der Verarmung an Aluminium darin beginnt die zweite Phase. Diese ist gekennzeichnet durch Destabilisierung der frühen Si-haltigen Hydratphase und des amorphen
Aluminiumhydroxids. Demgegenüber beginnt die Ausfällung von C-S-H oder Strätlingit. Mit Eintreten der C-S-H Fällung zeigt sich eine deutliche Erhöhung der Reaktionsrate des C3S, welche in ihrem Verlauf der Hauptreaktion des Alits in reinen Portlandzementen gleicht.
Für die Anhydrit-armen Systeme zeigen sich in der zweiten Phase hohe Übersättigungen
der Porenlösung gegenüber Strätlingit, woraus hohe potenzielle Kristallisationsdrücke
resultieren. Es hat sich gezeigt, dass die späte Kristallisation von Strätlingit in Zugspannungen
resultieren kann, welche die Zugfestigkeiten der Mörtel übersteigen. Daraus folgte eine Verschiebung der Porengrößenverteilung hin zu größeren Poren und eine Verringerung der
mechanischen Leistungsfähigkeit. Die Zugabe von Li2CO3 bewirkt eine beschleunigte Lösung
von Ye’elimit und Alit und erhöhte Fällungsrate von Ettringit. Li2CO3-Dosierungen über ein kritisches Niveau hinaus, führen nach der initialen Phase zu einer stark verringerten Lösungsrate des Calciumsulfoaluminats. Daraus resultiert eine Verschiebung der C-S-H-bildenden
Phase zu früheren Zeitpunkten.…
Author: | Julian Wolf |
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Persistent identifiers - URN: | urn:nbn:de:bvb:29-opus4-179551 |
Referee: | Jürgen Neubauer |
Advisor: | Jürgen Neubauer |
Document Type: | Doctoral Thesis |
Language: | English |
Year of publication: | 2021 |
Date of online publication (Embargo Date): | 2021/12/20 |
Publishing Institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU) |
Granting institution: | Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Naturwissenschaftliche Fakultät |
Acceptance date of the thesis: | 2021/12/03 |
Release Date: | 2021/12/27 |
Tag: | Portland cement; XRD; calcium sulfoaluminate; cement; crystallization pressure; hydration; kinetics; thermodynamic modeling |
Length/size: | 110 |
Institutes: | Naturwissenschaftliche Fakultät / Department Geographie und Geowissenschaften |
Dewey Decimal Classification: | 5 Naturwissenschaften und Mathematik / 54 Chemie / 549 Mineralogie |
open_access (DINI-Set): | open_access |
Licence (German): |