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Einfluss von Kalium auf die Struktur von nanokristallinen und kristallinen C-S-H Phasen mit einem CaO/SiO2-Verhältnis < 1

Bornefeld, Marc Johannes

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PDF, German
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Abstract

Kaliumhaltige Calciumsilikathydrate treten in der Zement- und Baustoffindustrie häufig auf. Sie können das Reaktionsprodukt aus der Alkali-Silika-Reaktion, eine Schadreaktion in Betonen bei der der Baustoff seine Festigkeit verlieren kann, darstellen. Außerdem kann Kalium in größeren Konzentrationen in Zementstein vorkommen und es ist daher von Interesse, ob und in welchem Ausmaß nanokristalline Calciumsilikathydrate Kalium einbauen können und ob es zur Bildung kaliumhaltiger Calciumsilikathydrate kommt. Über die strukturellen Eigenschaften dieser kaliumhaltigen Calciumsilikathydrate ist nur wenig bekannt. In der vorliegenden Arbeit wurde untersucht in wie weit kristalline und nanokristalline Calciumsilikathydrate Kalium aufnehmen können. Die strukturellen Eigenschaften dieser Phasen wurden eingehend untersucht. Zu diesem Zweck wurde ein analytischer Ansatz gewählt, der die Vorteile von spektroskopischen und röntgenographischen Methoden kombiniert. Es standen konventionelle Strahlungsquellen aber auch Synchrotronstrahlung zur Verfügung. Die Versuche umfassten einen weiten Bereich der chemischen Zusammensetzung der nanokristallinen Calciumsilikathydrate mit einem CaO/SiO2-Verhältnis zwischen 0,2 bis 0,83 sowie verschiedenen Kaliumkonzentrationen. Für jedes CaO/SiO2-Verhältnis wurden basierend auf dem Calciumgehalt vier verschiedene Kaliumkonzentrationen gewählt. Das K2O/CaO – Verhältnis der Proben beträgt 0, 0,25, 0,5 und 1,0. Einphasige, nur aus nanokristallinen kaliumhaltigen Calciumsilikathydraten bestehende Versuchsprodukte gelangen nur bei einem CaO/SiO2 = 0,67 und 0,83. Bei geringeren C/S-Verhältnissen von 0,2, 0,4 und 0,5 sind neben nanokristallinen kaliumhaltigen Calciumsilikathydraten (mit einem vermuteten CaO/SiO2-Verhältnis = 0,67) auch amorphes SiO2, ein amorphes Kaliumsilikathydrat und zeolithähnliche Phasen vorhanden. Werden diese Phasengemische hydrothermal behandelt bilden sich kristalline Zeolithe, Kaliumsilikathydrat und Calciumsilikathydrate. Wird dagegen eine einphasige nanokristalline kaliumhaltige Calciumsilikathydrat-Probe mit CaO/SiO2 = 0,67 oder 0,83 hydrothermal behandelt, kommt es zur Bildung von kaliumhaltigen Tobermoriten. Dieser K-Tobermorit zeichnet sich gegenüber kaliumfreien 11Å-Tobermorit durch eine verringerte Polymerisation der Silikatanionenstruktur aus, da die silikatischen Dreierdoppelketten in 11Å-Tobermorit zu silikatischen Dreiereinfachketten in kaliumhaltigen Tobermorit depolymerisieren. Das chemische Endglied für CaO/SiO2 = 0,67 kann mit und für CaO/SiO2 = 0,83 mit angegeben werden. Kalium wird in Tobermorit in der Zwischenschicht gebunden und mit Wasser koordiniert. Zwischen den Ca-Polyederschichten (auch Portlanditschicht genannt) von 11Å-Tobermorit und K-Tobermorit ist kein nennenswerter Unterschied zu erkennen.

Die strukturelle Verwandtschaft von nanokristallinen Calciumsilikathydraten und 14Å-Tobermorit konnte in dieser Arbeit bestätigt werden. Diese strukturelle Ähnlichkeit bleibt auch durch den Einbau von Kalium in die Struktur der nanokristallinen Calciumsilikathydrate bestehen. Weiterhin sind die zentralen strukturellen Baueinheiten eine aus siebenfach koordinierten Calciumpolyedern aufgebaute Ca-Polyederschicht, die in c-Richtung jeweils von Dreiereinfachketten begrenzt wird. Diese Abfolge aus Ca-Polyederschicht und den begrenzenden Silikatketten wird auch Komplexschicht genannt. Diese werden in c-Richtung gestapelt und durch eine Zwischenschicht miteinander verknüpft. Das strukturelle Verhalten von nanokristallinen kaliumhaltigen Calciumsilikathydraten ist mit den strukturellen Eigenschaften von kaliumhaltigen Tobermorit vergleichbar. Nanokristalline kaliumhaltige Calciumsilikathydrate mit einem CaO/SiO2-Verhältnis = 0,67 zeigen gegenüber kaliumfreien Calciumsilikathydraten keine Depolymerisation der Dreiereinfachketten zu Dimeren. Lediglich eine geringere Kettenlänge lässt sich beobachten. Mittels Thermogravimetrie und spektroskopischen Methoden konnte nachgewiesen werden, dass kaliumhaltige nanokristalline Calciumsilikathydrate, im Gegensatz zu kaliumfreien Calciumsilikathydraten, deutlich weniger oder keine (OH)- – Gruppen enthalten. Die maximale Konzentration von Kalium in der Struktur von nanokristallinen Calciumsilikathydraten wird demnach durch die Anzahl von Protonen bestimmt, die zum Ladungsausgleich entfernt werden können. Wird den Proben über diese Grenze weiterhin Kalium zugegeben bilden sich Kaliumkarbonate. Daraus kann für ein CaO/SiO2-Verhältnis = 0,67 ein kaliumreiches Endglied mit der Zusammensetzung angegeben werden.

Bei nanokristallinen Calciumsilikathydraten mit einem CaO/SiO2 = 0,83 wird zunehmend Calcium anstatt von Protonen in die Zwischenschicht eingebaut, so dass diese Phasen weniger Kalium in die Zwischenschicht aufnehmen können. Durch IR- und Raman Spektroskopie konnten allerdings bei kaliumhaltigen nanokristallinen Calciumsilikathydraten Dimere nachgewiesen werden. Anders als bei nanokristallinen Calciumsilikathydraten mit CaO/SiO2-Verhältnis = 0,67 kommt es durch das höhere CaO/SiO2-Verhältnis = 0,83 zu einer Depolymerisation der silikatischen Dreiereinfachketten. Das kaliumreichste Endglied kann daher mit angegeben werden. Aus der Strukturformel geht hervor, dass die Dreiereinfachketten vollständig zu Dimeren depolymerisiert sind. Mittels Röntgenabsorptionsspektroskopie (XAS) an der Absorptionskante von Calcium (4,036 keV) konnte festgestellt werden, dass die Ca-Polyederschicht der nanokristallinen Calciumsilikathydrate durch den Einbau von Kalium unbeeinflusst bleibt.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Pentinghaus, Prof. Dr. Horst
Place of Publication: Heidelberg
Date of thesis defense: 10 December 2012
Date Deposited: 12 Dec 2012 12:19
Date: 10 December 2012
Faculties / Institutes: Fakultät für Chemie und Geowissenschaften > Institut für Geowissenschaften
Subjects: 550 Earth sciences
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