A nanoscale study of dissolution and growth processes in cement hydrates

Abstract

This thesis aims at providing new knowledge on the, otherwise poorly known, molecular-scale mechanisms that operate during hydration of cement phases and dissolution of their hydrates. In order to pursue this objective, a novel approach has been followed, including the development of a new procedure to synthesize thin films of calcium silicates, real time characterization of grain growth and dissolution with liquid-cell atomic force microscopy, and monitoring of their chemical evolution by X-ray photoelectron spectroscopy of thin films hydrated in-situ, avoiding atmospheric contamination. Nanometer-sized films of clinker phases have been prepared using electron-beam evaporation methods. After deposition on silicon substrates, film thicknesses and mineralogical composition were characterized by atomic force microscopy (AFM) or mechanical profilometry and grazing-angle X-ray diffraction (GAXRD), respectively. Chemical composition was determined by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Results from the GAXRD and XPS analysis show that aluminates phases are not suitable to be evaporated by electron beam technique. However quantitative analysis of calcium silicates samples shows that the Ca:Si ratio of the deposited film is the same as in the bulk starting material, confirming the suitability of the technique for the synthesis of these materials. Calcium silicate thin films with different thicknesses were submitted to hydration in different ways. XPS results describe clear chemical changes when samples are exposed to water vapor by shifts on the silicon peak, broadening on the calcium peak and decreasing on the Ca:Si ratio, related to the silicon polymerization due to the C-S-H formation. In situ hydration in fluid cell followed by AFM in water and calcium hydroxide saturated solution allows observing the formation of C-S-H particles, that happens very fast in C3S, which is dissolved later, and slower in C2S. Finally, Scanning transmission X-ray microscopy (STXM) of samples hydrated in situ with water allows observing the formation of particles with different concentration of calcium and silicon, and different chemical state at some point. The development of this technique of synthesis and the results obtained on the hydration allow improving the knowledge of early stage clinker phase hydration at the molecular level and to better understand the behavior of these materials, shedding some additional light on the complex problem of the hydration mechanisms of cementitious materials.

Aquesta tesi té per objectiu proporcionar nous coneixements sobre els mecanismes, abans poc coneguts, que operen durant la hidratació de les fases de ciment i la dissolució dels seus hidrats a escala molecular. Per tal d'aconseguir aquest objectiu, un nou enfocament ha estat seguit amb l'elaboració d'un nou procediment per sintetitzar pel·lícules primes de silicats de calci, la seva caracterització en temps real del creixement del gra i de la dissolució amb les cel·les de líquid al microscopi de forces atòmiques i el seguiment de l'evolució de la seva composició química per espectroscòpia de fotoelectrons de raigs X de pel·lícules primes hidratades in-situ, evitant la seva contaminació atmosfèrica. S'han preparat pel·lícules nanomètriques de les fases del clínquer utilitzant l'evaporació per feix d'electrons. Després de la deposició en substrats de silici, es van caracteritzar el gruix mitjançant la microscòpia de forces atòmiques (AFM) i la perfilometria mecànica i la composició mineralògica amb la difracció de raigs X d'angle rasant (GAXRD). La composició química es va determinar per espectroscòpia fotoelectrònica de raigs X (XPS). Els resultats del GAXRD i d'XPS mostren que els aluminats no són adequats per a ser evaporats utilitzant l'evaporació assistida amb feix d'electrons. No obstant això, anàlisis quantitatives de les mostres de silicats de calci mostren que la relació Ca:Si de la pel·lícula dipositada és la mateixa que en el material de partida, el que confirma la idoneïtat de la tècnica per a la síntesi d'aquests materials. Les pel·lícules primes de silicat càlcic de gruixos diferents van ser sotmeses a hidratació de diferents maneres. Els resultats d`XPS descriuen canvis químics clars quan les mostres estan exposades al vapor d'aigua com s'infereix dels canvis en el pic del silici, l'eixamplament del pic del calci i la disminució en la relació Ca:Si, que es relaciona amb la polimerització del silici degut ala formació de C-S-H. La hidratació in situ en aigua o solució saturada d'hidròxid de calci a la cel·la de fluid de l'AFM permet observar la formació de partícules de C-S-H. La hidratació ocorre molt ràpidament en el C3S, que després es dissol, i és més lenta en el C2S. Finalment, la microscòpia de transmissió i escaneig de raigs X (STXM) de les mostres hidratades in situ amb aigua permet observar la formació de partícules amb diferents concentracions de calci i silici i, en alguns casos, la variació de l'estat químic . El desenvolupament d'aquesta tècnica de síntesi i els resultats obtinguts en la hidratació permeten millorar el coneixement de la hidratació de les fases del clínquer en estadis inicials a nivell molecular i entendre millor el comportament d'aquests materials, ajudant a aclarir el complex problema dels mecanismes d'hidratació dels materials del ciment