Growth of brucite on portlandite crystals

Das Mineral Brucit (Mg(OH)2) wird als Abbauprodukt von gewöhnlichem Beton gebildet, der Magnesium enthaltenden Lösungen ausgesetzt wurde. Ähnlich wie andere Präzipitate, die sich auf der Betonoberfläche bilden, kann Brucit als Schutzbarriere wirken, die das Fortschreiten des Betonabbaus verhindert oder verzögert. Die entsprechenden Reaktionsmechanismen und -geschwindigkeiten sind jedoch noch nicht gut erforscht. Die vorliegende Studie gibt einen Einblick in die mögliche Schutzwirkung von Brucit, um das Mineral Portlandit (Ca(OH)2) vor Auflösung zu schützen. Daher wurden Einkristalle von Portlandit synthetisiert und Mg2+-haltigen Lösungen ausgesetzt, wobei der Einfluss der folgenden Parameter untersucht wurde: (i) Magnesiumionenquelle (Chlorid-, Sulfat- und Nitratsalz), (ii) anfängliche Mg2+-Konzentrationen der reaktiven Lösung und (iii) Masseverhältnis Kristalle/Lösung. Die Kristalle wurden teilweise mit Nagellack überzogen, der das Brucit-Wachstum auf einer der sechseckigen Oberflächen forcierte. Die Kristalle und Lösungen wurden vor und nach 72 Stunden Reaktionszeit analysiert. FTIR, IC, pH, optisches Mikroskop, SEM und EPMA wurden verwendet, um die Ausgangs- und Endmaterialien zu charakterisieren. Zusätzlich wurde eine thermodynamische Modellierung unter Verwendung des Programms PHREEQC durchgeführt. Experimentelle Ergebnisse und thermodynamische Modellierungen zeigten, dass die Faktoren, die die Brucitbildung beeinflussen, eng mit der Calciumkonzentration der reaktiven Lösung verknüpft waren, sodass der Ca2+-Gehalt in der Lösung als Indikator für den laufenden Reaktionsprozess verwendet werden konnte. Die reaktiven Lösungen mit hohen Mg2+-Konzentrationen und einer Magnesiumquelle aus z.B. Chlorid oder Nitrat boten optimale Bedingungen für die Brucit-Bildung zum Schutz vor Portlandit-Auflösung, da während der Versuchsdurchläufe kein anderes Mineral gebildet wurde. Die Anwesenheit von Sulfationen führte zur Bildung von Gips (CaSO4.2H2O), sobald eine Schwellenkonzentration von Sulfat und Calcium in der reaktiven Lösung erreicht wurde. In diesen Fällen bildete sich zuerst Brucit, und dann füllte Gips den durch die Auflösung von Portlandit freigelassenen Raum. Somit spielte die Verfügbarkeit der reaktiven sulfathaltigen Lösung eine wichtige Rolle, indem sie die Ca2+-Konzentration beeinflusste. Bei erhöhten Sulfatkonzentrationen wurde früher Gips gebildet (zusätzlich zu einem höheren pH-Wert und schnellerer Brucitbildung). Ein entscheidender Faktor für die Brucitbildung war die in allen Experimenten verwendete anfängliche Mg2+-Konzentration, da sie die pH-Entwicklung direkt beeinflusste. Der pH-Wert wiederum bestimmte die Morphologie der Brucit-Kristalle, die für die Wirksamkeit des Schutzes gegen eine weitere Auflösung des Portlandit-Kristalls entscheidend war: eine Brucit-Schicht mit kleineren, dichter gepackten Kristallen bot einen spürbar besseren Schutz gegen Portlandit-Auflösung im Vergleich zur dickeren Brucit Schicht, die aus größeren Kristallen bestand und eine höhere Permeabilität aufwies. Ein konzeptionelles Modell für die verschiedenen interagierenden Parameter wurde entwickelt, in dem die Reaktionsmechanismen und kinetischen Schritte der verschiedenen reaktiven Lösungen diskutiert und bewertet werden.