Synteza hydrogranatów z szeregu grossular-hydrogrossular w układzie C3A-SiO2-H2O w warunkach hydrotermalnych

• Autorzy: Pytel Z.

Warianty tytułu

EN

Synthesis of the Grossular-Hydrogrossular Hydrogarnets Series in the System C3A-SiO2-H2O Under Hydrothermal Conditions

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Artykuł zawiera wyniki badań przeprowadzonych w układach modelowych, związanych z syntezą hydrogranatów tworzących roztwory stałe, należące do szeregu C3AS3 – C3AH6. Z powodu występowania w strukturach tych związków częściowego lub całkowitego podstawienia izomorficznego, zwanego podstawieniem hydrogranatowym, przebiegającego według schematu 4(OH)- ↔ (SiO4)4-, skład poszczególnych elementów tego szeregu zmienia się w sposób ciągły zgodnie z ogólnym wzorem Ca3Al2(SiO4)3-x(OH)4x, w którym x może przybierać wartości z przedziału (0-3). Wraz ze zmianą składu chemicznego elementów tego szeregu, zmieniają się również w sposób ciągły określone ich cechy i właściwości. Zatem dla danej wartości x mamy do czynienia z określonym elementem tego szeregu o składzie chemicznym adekwatnym do tej wartości. Wartość x determinuje bowiem odpowiednie wielkości stosunków molowych C/(A+S) i A/(A+S), o wartościach należących odpowiednio do przedziałów (0,75-3,0) oraz (0,25-1,0). W ramach niniejszej pracy syntezę hydrogranatów prowadzono jedynie dla wybranych wartości x, dla których przyjęto odpowiednie składy zestawów surowcowych. Głównym składnikiem surowcowym mieszanin reakcyjnych był syntetyczny C3A, a występujący deficyt SiO2 był uzupełniany ekwiwalentną ilością surowca krzemionkowego. Mieszaniny tych składników przeprowadzano w stan zawiesiny, które poddawano następnie obróbce w warunkach hydrotermalnych w zmiennej temperaturze (150 °C i 180 °C) i zmiennym czasie (24 h, 168 h i 336 h). Uzyskane w ten sposób tworzywa analizowano głównie w zakresie ich składu fazowego, wykorzystując w tym celu metody XRD, DTA i TG oraz IR. Do badania elementów mikrostruktury tych tworzyw stosowano natomiast metodę SEM w połączeniu z analizą EDS. W wyniku przeprowadzonych analiz okazało się, że niezależnie od przyjętego składu wyjściowego mieszanin reakcyjnych, w zdecydowanej większości przypadków przeprowadzonych syntez, podstawowym produktem jest hydrogranat zawierający niewielką ilość krzemu. Zatem składy chemiczne powstających w tych warunkach hydrogranatów nie odpowiadają składom wyjściowym mieszanin reakcyjnych. Wynika z tego, że wielkość podstawień hydrogranatowych zachodzi w mniejszym zakresie niż by to wynikało ze stechiometrii tych połączeń.

EN

The paper summarises the results of testing in the model systems, that are associated with synthesis of the C3AS3-C6AH6 series of hydrogarnets, forming solid solutions. On account of the presence of either incomplete or complete hydrogarnet substitution following the pattern 4(OH)- ↔(SiO4)4-, the composition of particular elements in the series changes in the continuous manner, in accordance with the general formula Ca3Al2(SiO4)3-x(OH)4x in which x may assume any value from the range (0-3). With the change in chemical composition of hydrogarnets in the series, their properties will change in the continuous manner, too. For the given value of x, therefore, we get a given element in this series whose chemical composition is determined accordingly. The value of x determines the molar ratios C/(A+S) and A/(A+S), their values falling in the respective ranges of (0.75-3.0) and (0.25-1.0). Hydrogarnets considered in this study were synthesised for selected values of the parameter x and the chemical composition was established accordingly. The main component of reactant mixture was synthetic C3A and the deficiency of SiO2 was compensated by admixing a specified amount of a silica material. The mixtures of these components were then turned into suspensions, subjected to further treatment under hydrothermal conditions at a variable temperature (150 °C and 180°C) and for a variable period of time (24 h, 168 h and 336 h). Thus obtained materials were analysed to determine the phase composition by the XRD, DTA, TG and IR methods. Microstructure analyses were performed by the SEM method supported by the EDS analysis. Tests revealed that no matter what the initial composition of the reactant mixtures, the synthesised product in most cases would be hydrogarnet containing tiny amounts of quartz. Therefore, the chemical compositions of hydrogarnets formed under these conditions do not correspond to the initial compositions of reactant mixtures. It appears that the extent of hydrogarnet substitution is less than that implied by stechiometric calculation.

Słowa kluczowe

PL

syntetyczny hydrogranat; szereg grossular-hydrogrossular; podstawienia hydrogranatowe; mikrostruktura; syntetyczny C3A

EN

synthetic hydrogarnet; grossular-hydrogrossular series; hydrogarnet substitution; microstructure; synthetic C3A.

• Wydawca: Polskie Towarzystwo Ceramiczne
• Czasopismo: Materiały Ceramiczne
• Rocznik: 2013
• Tom: T. 65, nr 3
• Strony: 332--342
• Opis fizyczny: Bibliogr. 23 poz.

Twórcy

autor

Pytel Z.

• AGH Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Inżynierii Materiałowej i Ceramiki, KTMB, al. A. Mickiewicza 30, 30-059 Kraków

Bibliografia

• [1] Żabiński, W.: Hydrogarnets, Polska Akademia Nauk Oddział w Krakowie, Komisja Nauk Mineralogicznych, Prace mineralogiczne nr 3, Wyd. Geologiczne, Warszawa 1966.
• [2] Handke, M.: Krystalochemia krzemianów, Wyd. II, Uczelniane Wydawnictwa Naukowo-Dydaktyczne, Kraków, 2008.
• [3] Galuskina, J., Galuskin, E.: Garnets of the “Hydrogrossular”-“Hydroandradite”-“Hydroschorlomite” series, Mineralogical Society of Poland (special papers), 22, (2003), 54 - 57.
• [4] Żabiński, W.: Studium minerałów grupy hydrogranatu, AGH w Krakowie, Zeszyty Naukowe Nr 102, Rozprawy zeszyt 38, Kraków 1965.
• [5] Helwett, P. C. (Ed.): Lea’s Chemistry of Cement and Concrete, Arnold 1998.
• [6] Kurdowski, W.: Chemia Cementu i Betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2010.
• [7] Roy, D.M., Roy, R.: Crystalline solubility and zeolitic behavior in garnet phases in the system CaO-Al2O3-SiO2-H2O, 6th ICCC Moscou, 1974, band II, 249-254.
• [8] Yoder, H.S.: Stability relations of Grosularite, J. Geol., 58, (1950), 221 (za [4]).
• [9] Flint, E.P, McMurdi, H.F., Wells, L.S.: Hydrothermal and X-ray studies of the garnet-hydrogarnet series and the relationship of the series to hydration products of Portland cement, Join. Res. Nat. Bur. Stand., 26, (1941), 13.
• [10] Flint, E.P., Wells, L.S.: Relationship of the garnet-hydrogarnet series to the sulfate resistance of Portland cements, Join. Res. Nat. Bur. Stand., 27, (1941), 1171.
• [11] Carlson, E.T.: Hydrogarnet formation in the system lime-alumina-silica-water, Join. Res. Nat. Bur. Stand., 56, 6, (1965), 321.
• [12] Roy, D.M., Roy, R.: System CaO-Al2O3-SiO2-H2O. VI. The Grossularite-3CaO•Al2O3•6H2O, Join. Bull. Geol, Soc. Am., 68, (1957), 1788.
• [13] Jappy, T.G., Glasser, F.P.: Synthesis and stability of silica-substituted hydrogarnet Ca3Al2Si3-xO12-4x(OH)4x, Adv. Cement Res., 4, 1, (1991/92), 1-8.
• [14] Nobes, R.H., Akhmatskaya, E.V., Milman, V., White, J.A., Winkler, B., Pickard, C.J.: An ab initio study of hydrogarnets, Amer. Mineral., 85, (2000), 1706-1715.
• [15] Klimesch, D.S., Ray, A.: Effects of quartz particle size on hydrogarnet formation during autoclaving at 180°C in the CaO-Al2O3-SiO2-H2O system”, Cement Concr. Res., 28, 9, (1998), 1309-1316.
• [16] Siauciunas, R., Baltusnikas, A.: Influence of SiO2 modification on hydrogarnets formation during hydrothermal synthesis, CCR, 33, (2003), 1789-1793.
• [17] Klimesch, D.S., Ray, A.: Hydrogarnet formation during autoclaving at 180°C in unstirred Metakaolin-Lime-Quartz slurries, CCR, 28, 8, (1998), 1109-1117.
• [18] Klimesch, D.R., Ray, A.: Autoclaved Cement-Quartz Pastes with Metakaolin Additions, Adv. Cem. Bas. Mat., 7, (1998), 109-118.
• [19] Rìos, C.A., Williams, C.D., Fullen, M.A.: Hydrothermal synthesis of hydrogarnet and tobermorite at 195°C from kaolinite and metakolinite in the CaO-Al2O3-SiO2-H2O system: A comperative study, App. Clay Sci., 42, (2009), 228-237.
• [20] Klimesch, D.S., Ray A.: DTA-TG study of the CaO-SiO2-H2O and CaO-Al2O3-SiO2-H2 systems under hydrothermal conditions, J. Therm. Anal. Calorim., 56, (1999), 27-34.
• [21] Klimesch, D.S., Ray, A.: DTA-TG of unstirred autoclaved metakaolin-lime-quartz slurries. The formation of hydrogarnets, Thermochim. Acta, 316, (1998), 149-154.
• [22] Klimesch, D.S., Ray, A.: DTA-TG evaluations of the CaO-Al2O3-SiO2-H2O system treated hydrothermally, Termochim. Acta, 334, (1999), 115-122.
• [23] Rossman, G.R., Aines R.D.: The hydrous components in garnets: grossular-hydrogrossular”, Amer. Mineral., 76, (1991), 1153–1164.