Universitätsbibliothek Wien

Hydration reactions and reaction induced deformation

Kuleci, Ilker Hakan (2017) Hydration reactions and reaction induced deformation.
Dissertation, University of Vienna. Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
BetreuerIn: Abart, Rainer
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URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-20913.85716.900276-4

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Abstract in English

The conversion of periclase to brucite immersed in a calcite matrix was investigated experimentally. In the first stage of the experiments, millimeter sized cuboids of synthetic periclase crystals with (100) surfaces were hydrated with distilled water in the hydrothermal apparatus (both types were used horizontal and rapid quench). The experimental conditions were 350 to 620°C, 200 MPa and the run durations were 5 to 40 Minutes. The transformation from periclase to brucite was observed on surfaces of the periclase crystals. Rarely, morphological instabilities of the hydration front produced micrometer sized outward pointing spikes due to kinetic selection of the relatively more resistant (111) faces relative to the less resistant (100) faces. The overall growth rate of brucite increased from 350 to 530°C, at where the reaction rate decreased and finally vanished at nearly 630°C. At this temperature, periclase, brucite and water are in equilibrium for the pressure of 200 MPa. Using linear kinetic regime, the interface mobility was easily described by measuring the hydration front velocity relative to the reactant periclace lattice. The interface motion is a thermally activated process and Arrhenius behavior can be assumed. Accordingly, the pre-exponential factor and the activation energy were obtained respectively 1.7x10-12 m4/s.J and EA = 55 kJ/mol. In the second stage of the experiments, the same synthetic periclase crystals as a swelling particle and natural calcite crystals pulverized from Carrara Marble as a non-reactive matrix were hot isostatically pressed with a calcite to periclase ratio of 90/10 and 95/5 by volume with a low porosity (less than 5%) in a Paterson type gas medium apparatus within the stability field of calcite and periclase at a temperature of 700°C and a confining pressure of 300 MPa for 2 hours. In the sequel, the dense aggregates were hydrated in the same hydrothermal apparatus at the temperatures of 580 to 610°C, where the reaction rate of brucite is relatively slow in comparison with the rates at lower temperatures. A pressure of 200 MPa was set, same as the first stage of the experiment. The run durations varied from 5 to 60 minutes. Substantially, the growth rate of brucite was governed by the attaining of the water. The transformation was too active, where water reached the reaction front and induced brucite layers, in which the associated volume increase was nearly 100°C. So that, the accommodation of the swelling led the matrix to creep and fracture. Moreover, the newly formed cracks extensively facilitated to occur new pathways for the access of water to the reaction surface, which leads to a positive feedback between fracturing and hydration. The experimental results indicated that the cracks generally accommodated in the pre-existing calcite grain boundaries. The experimental results were compared with numerical 2D discrete element modelling (DEM), which disclosed the distribution of cracks in the calcite matrix. In the light of this information, the geometry of the crack patterns, which covered the swelling particle, was directly attributed to the shape of the original reactant, the mechanical strength both of the particle-matrix interface and the calcite matrix in itself, and furthermore the sequence of the calcite grain boundaries around of the swelling particle.

Schlagwörter in Englisch

Hydration of periclase / HIPed calcite-periclase / DEM-Modeling / reaction induced fracturing

Abstract in German

Die Bildung von Periklas zu Brucit, die in Kalzit matrix eingebettet ist, wurde experimentell untersucht. in der ersten Phase wurde millimetergroße Kuboide synthetischer Periklaskristallen, die (100) Oberflächen besitzen, mit destilliertem Wasser in der Hydrothermalanlagen (zwei bauunterschiedlichen Einrichtungen; horizontal und vertikal, wurde verwendet) hydratisiert. Die experimentelle Konditionen sind von 350 bis auf 620°C, 200 MPa und die Dauer des Experimentes betrug 5 bis 40 Minuten. Die Umwandlung von Periklas zu Brucit wurde an Oberfläachen der Periklaskristalle beobachtet. Selten wurden morphologische Instabilitäten der Hydratationsfront mikrometergroße, nach außen weisende Spikes aufgrund der kinetischen Auswahl der widerstandsfähigeren (111) Flächen im Vergleich zu den weniger resistenten (100) Flächen erzeugt. Insgesamt nahm die Wachstumsrate des Brucits von 350 bis auf 530°C zu, auf der die Reaktionsrate abnahm und schließlich verschwand auf circa 630°C. Bei dieser Temperatur für den Druck von 200 MPa sind Periklas, Brucit und Wasser im Gleichgewicht. Durch die Verwendung des linearen kinetischen Regimes wurde die Grenzflächenmobilität leicht mit Messen der Hydratationsfrontgeschwindigkeit bezüglich zum Reaktantenperiklasgitter beschrieben. Die Interfacemotion ist ein thermisch aktivierter Prozess und Arrhenius-Verhalten kann angenommen werden. Dementsprechend wurden der vorexponentielle Faktor 1.7x10^-12m^4/s.J und die Aktivierungsenergie EA = 55 kJ/mol erhalten. In der zweiten Phase wurden dieselben synthetischen Periklasenkristalle als schwellende Teilchen und natürliche aus Carrara-Marmor pulverisierten Kalzitkristalle mit einem Kalzit-zu-Periklas-Verhältnis Volumen von 90/10 und 95/5 heiß isostatisch mit einer niedrigen Porosität (weniger als 5%) in einem Paterson-Gasmediumapparat innerhalb des Stabilitätsfeldes von Calcit und Periklas bei einer Temperatur von 700 und einem einengenden Druck von 300 MPa für 2 Stunden gepresst. Danach wurden die dichten Aggregate in denselben hydrothermalen Apparaturen bei den Temperaturen von 580 bis 610°C hydratisiert, wobei die Reaktionsgeschwindigkeit von Brucit relativ langsam im Vergleich der Raten bei niedrigeren Temperaturen ist. Derselbe Druck von 200 MPa wurde wie in der ersten Phase des Experiments eingestellt. Die Dauer der Experimenten variierte von 5 bis 6 Minuten. Im Wesentlichen wurde die Wachstumsgeschwindigkeit von Brucit durch das Erreichen des Wassers bestimmt. Die Transformation war so aktiv, wo Wasser die Reaktionsfront erreichte und Brucitschichten produzierte, in denen die zugehörige Volumenzunahme nahezu 100°C war, so dass die Unterbringung der Volumenzuhame führte die Matrix zu kriechen und zu brechen. Darüber hinaus erleichterten die neu gebildeten Risse weitgehend neue Wege für den Zugang von Wasser zur Reaktionsfläche, die zu einem positiven Feedback zwischen Bruch und Hydratation führt. Die experimentellen Ergebnisse zeigten, dass die Risse allgemein in den bereits vorhandenen Kalzitkorngrenzen heruntergekommen sind. Die experimentellen Ergebnisse wurden mit der numerischen 2D diskreten Elementmodellierung (DEM) verglichen, die die Rissenverteilung in der Kalzitmatrix aufdeckte. Angesichts dieser Informationen liegen die Geometrie des Rissmusters, die das schwellende Partikel bedeckte, an der Gestalt des ursprünglichen Reaktanten, der mechanischen Festigkeit sowohl der Partikel-Matrix-Grenzfläche als auch der Kalzit-Matrix an sich selbst, und zusätzlich an der Aufeinenderfolge der Kalzitkorngrenzen um das schwellende Teilchen herum.

Schlagwörter in Deutsch

Hydratisierung von Periklas / HIPed Kalzit-Periclase / DEM-Modellierung / Reaktion bedingte Fraktionierung

Item Type: Hochschulschrift (Dissertation)
Author: Kuleci, Ilker Hakan
Title: Hydration reactions and reaction induced deformation
Umfangsangabe: v, 94 Seiten : Illustrationen, Diagramme, Karten
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Geowissenschaften, Geographie und Astronomie
Studiumsbezeichnung bzw.
Universitätslehrgang (ULG):
Doktoratsstudium NAWI aus dem Bereich Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Erdwissenschaften)
Publication year: 2017
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Abart, Rainer
MitbetreuerIn: Heinrich, Wilhelm
Assessor: Kurz, Walter
2. Assessor: Milke, Ralf
Classification: 38 Geowissenschaften > 38.27 Metamorphe Gesteine
38 Geowissenschaften > 38.54 Geologie mineralischer Rohstoffe: Sonstiges
AC Number: AC14507167
Item ID: 48488
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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