ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ЭТТРИНГИТА И ТАУМАСИТА Текст научной статьи по специальности «Химические науки»

ВОДНЫЕ РАСТВОРЫ В МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ

4

Физика Водных Растворов

Устный доклад

ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ ВОДНЫХ РАСТВОРОВ НА МЕЖФАЗНЫХ ПОВЕРХНОСТЯХ ЭТТРИНГИТА

И ТАУМАСИТА

Тарарушкин Е.

Международная лаборатория суперкомпьютерного атомистического моделирования и многомасштабного анализа НИУ ВШЭ, Россия, г. Москва, ул. Таллинская, д. S4

[email protected]

Эттрингит (Ca6[Al(OH)6]2[SO4]3-26H2O) и таумасит (Ca3[Si(OH)6](CO3)(SO4)12H2O) - природные минералы. Оба минерала имеют схожие столбчатые кристаллические структуры, которые ориентированы вдоль параметра c их элементарных ячеек. Столбики минералов представлены полиэдрами алюминия/кремния и кальция, а также молекулами H2O: [Ca3[Al(OH)6]12H2O]3+ - эттрингит и [Ca3Si(OH)6]12H2O]4+- таумасит. Пространство (каналы) между столбиками эттрингита заполнены анионами SO42- и молекулами H2O, а в случае с таумаситом каналы заполнены только анионами SO42- и CO32-.

Эти минералы представляют интерес с точки зрения химии строительных цементов и бетонов по той причине, что оба отвечают за сульфатную коррозию бетонов (ESA - ettringite sulfate attack и TSA - thaumasite sulfate attack) [1]. При этом остается не решенным вопрос, каким образом происходит формирование таумасита в порах строительных бетонов. Предложено несколько путей формирования таумасита: так называемый прямой путь - зарождение и последующий рост кристаллов таумасита без присутствия эттрингита, либо таумасит формируется при наличии кристаллов эттрингита и появляется твердый раствор этих минералов (вудфордит) [1]. В обоих случаях водные растворы необходимы в качестве питающей среды для роста кристаллов. В связи с этим возникает необходимость в знаниях различных свойств водных растворах в приповерхностных зонах эттринги-та и таумасита.

Для исследования свойств водных растворов в приповерхностных зонах эттрингита и таумасита использовался метод классической молекулярной динамики. В качестве потенциала, описывающего взаимодействия между частицами, была применена модифицированная версия силового поля ClayFF-MOH [2, 3]. Ранее на примере моделирования эттрингита и портландита [3, 4] было показано, что учёт в явном виде угловых взаимодействий Me-O-H между катионами металлов и гидроксильными группами позволяет значительно улучшить воспроизведение механических и колебательных свойств этих минералов.

В результате моделирования вычислены структурные и динамические свойства водных растворов в приповерхностных зонах эттрингита и таумасита. Определены центры адсорбции на поверхностях обоих минералов. Показано, что как для эттрингита, так и для таумасита наблюдается обмен молекулами H2O между твердой фазой и водным раствором. Вычисленные межфазные (твердое тело - жидкость) энергии показали, что эттрингит стабильнее при растворении по сравнению с таумаситом.

Исследование осуществлено в рамках Программы фундаментальных исследований НИУ ВШЭ. Литература:

[1] N. Crammond, The occurrence of thaumasite in modern construction - a review, Cement and Concrete Composites, 24, 393-402, (2002).

[2] R. Cygan, J. Greathouse, and A. Kalinichev, Advances in ClayFF molecular simulation of layered and nanoporous materials and their aqueous interfaces, The Journal of Physical Chemistry C, 125(32), p. 17573-17589, (2021).

[3] E. Tararushkin, V. Pisarev and A. Kalinichev, Atomistic simulations of ettringite and its aqueous interfaces: Structure and properties revisited with the modified ClayFF force field, Cement and Concrete Research, 156, 106759, (2022).

[4] E. Tararushkin, V. Pisarev and A. Kalinichev, Interaction of nitrite ions with hydrated portlandite surfaces: Atomistic computer simulation study, Materials, 16(14), 5026, (2023).