[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究通过实验表明，无水硫酸钠在多孔介质中的快速水化会导致体积急剧膨胀（最高达四倍），产生超过石材材料抗拉强度的内应力，从而引发机械损伤。该过程由无水盐微晶表面快速成核水化簇引起，直接将盐结晶与多孔材料（如石材）的结构崩解联系起来。

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.

研究动机与目标

• 研究多孔介质（如石材）中盐结晶诱导损伤的机理。
• 理解无水硫酸钠向水合硫酸钠相变在产生机械应力中的作用。
• 研究无水盐润湿过程中水合晶体成核与生长的动力学及形貌特征。
• 量化在受限多孔环境中水化过程中体积膨胀引起的应力生成。
• 建立快速水化动力学与多孔材料机械崩解之间的直接关联。

提出的方法

• 在饱和无水硫酸钠的多孔介质上开展受控实验。
• 利用原位成像监测润湿过程，观察水合硫酸盐簇的成核与生长。
• 测量从无水（1 mol）到水合（1 mol）硫酸钠的摩尔体积变化，其体积增加四倍。
• 基于受限孔隙中体积膨胀的机械模型分析应力发展。
• 使用光学显微镜和X射线衍射识别相变及晶体生长模式。
• 将观测到的晶体生长速率与多孔基质中机械失效的起始时间相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 无水硫酸钠在多孔介质中接触水后，是什么触发了其快速水化？
• RQ2 无水相到水合相转变过程中的体积膨胀如何导致内应力累积？
• RQ3 微晶无水盐在水合簇成核中起什么作用？
• RQ4 晶体生长产生的应力在多大程度上超过多孔石材材料的抗拉强度？
• RQ5 所观测到的损伤是否可直接归因于水化动力学而非缓慢结晶？

主要发现

• 无水硫酸钠在接触水后迅速水化，形成水合晶体簇，其成核位置位于微晶无水盐颗粒表面。
• 水合形式硫酸钠的摩尔体积约为无水形式的四倍。
• 该四倍体积膨胀产生内应力，超过典型石材材料的抗拉强度。
• 应力在水化过程中迅速累积，导致多孔基质立即发生机械损伤。
• 损伤直接与水合簇的成核与生长相关，而非缓慢渐进的结晶过程。
• 本研究首次提供了此类快速水化诱导损伤在多孔介质中发生的实验证据。