[論文レビュー] Damage due to salt crystallization in porous media

Noushine Shahidzadeh Bonn, François Bertrand+1 more|ArXiv.org|Jun 13, 2009

Calcium Carbonate Crystallization and Inhibition参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、多孔質媒体における無水硫酸ナトリウムの急速な水和が、最大4倍に達する体積膨張を引き起こし、石材の引張強度を超える内部応力を生成することにより、機械的損傷を引き起こすことを実験的に示した。このプロセスは、微結晶性の無水塩表面上での水和クラスターの急速な核生成によって駆動され、塩の結晶化が多孔質材料（石材など）の構造的破壊を直接関連付けるものである。

ABSTRACT

We investigate salt crystallization in porous media that can lead to their disintegration. For sodium sulfate we show for the first time experimentally that when anhydrous crystals are wetted with water, there is very rapid growth of the hydrated form of sulfate in clusters that nucleate on anhydrous salt micro crystals. The molar volume of the hydrated crystals being four times bigger, the growth of these clusters can generate stresses in excess of the tensile strength of the stone and lead therefore to damage.

研究の動機と目的

• 多孔質媒体（石材など）における塩の結晶化に起因する損傷のメカニズムを調査すること。
• 無水硫酸ナトリウムから水和硫酸ナトリウムへの相転移が機械的応力の生成に果たす役割を理解すること。
• 湿潤化過程における水和結晶の成長動態および形態を調査すること。
• 閉じた多孔質環境における水和に伴う体積膨張に起因する応力発生を定量すること。
• 急速な水和動態と多孔質材料の機械的破壊との直接的な関連を確立すること。

提案手法

• 無水硫酸ナトリウムで飽和された多孔質媒体を用いた制御された実験を実施した。
• 水中での湿潤過程をイン・サイト画像法でモニタリングし、水和硫酸塩クラスターの核生成と成長を観察した。
• 無水状態（1 mol）から水和状態（1 mol）へのモル体積変化を測定した。この変化は4倍に増加した。
• 閉じた孔内での体積膨張に基づく機械的モデルを用いて応力発生を分析した。
• 光学顕微鏡およびX線回折を用いて相転移と結晶成長パターンを同定した。
• 観察された結晶成長速度と多孔質マトリックスにおける機械的破壊の発生時刻を相関させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 多孔質媒体に湿潤された際に、無水硫酸ナトリウムが急速に水和を開始する要因は何か？
• RQ2 無水状態から水和状態への相転移に伴う体積膨張が、内部応力の蓄積にどのように寄与するか？
• RQ3 微結晶性の無水塩が水和クラスターの核生成に果たす役割は何か？
• RQ4 結晶成長に起因する応力が、多孔質石材材料の引張強度をどれほど超えるか？
• RQ5 観察された損傷は、遅い結晶化ではなく、水和の動態に起因して直接的に説明可能か？

主な発見

• 無水硫酸ナトリウムは水に接触すると急速に水和し、微結晶性の無水塩粒子の表面に核生成する水和結晶クラスターを形成する。
• 硫酸ナトリウムの水和形態のモル体積は、無水形態の約4倍に相当する。
• この4倍の体積膨張が、一般的な石材材料の引張強度を超える内部応力を生成する。
• 応力の蓄積は水和過程において急速に進行し、多孔質マトリックスにおける即時の機械的損傷を引き起こす。
• 損傷は、遅い徐々な結晶化ではなく、水和クラスターの核生成と成長に直接関連している。
• 本研究は、多孔質媒体におけるこのような急速な水和に起因する損傷の実験的証明を初めて得た。