Bachelor's Thesis

Stability of synthetic doped C-S-H phases in a model hydration environment

Final Thesis 2.66 MB

Author of thesis: Bc. Tomáš Sýs

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Eva Bartoníčková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Michal Marko, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis investigates the stability of synthetic doped C-S-H phases in a model hydration environment. The theoretical part presents a literature review focused on the hydration mechanisms of aluminosilicate binders. The experimental part is dedicated to the hydrothermal synthesis of model crystalline C-S-H phases doped with selected transition metals (Ni2+ and Cu2+) under defined temperature and pressure conditions. X-ray diffraction analysis (XRD) and scanning electron microscopy (SEM-EDS) are used to characterize the phase composition, purity of the prepared systems, and potential phase separation of secondary products. Furthermore, the thesis describes the stability study of the prepared doped phases in comparison with a commercial nano-C-S-H additive. The monitoring was carried out in model environments of distilled water and a concentrated potassium carbonate (K2CO3) solution to clarify the overall stability and behavior of the materials upon exposure to an aggressive alkaline medium. Within this monitoring, changes in pH, the course of electrical conductivity, and the concentrations of released calcium, silicon, and doping metals are evaluated as a function of time. Quantitative determination of elements in the leachates was performed using atomic absorption spectrometry (AAS) and inductively coupled plasma optical emission spectrometry (ICP-OES). The final part of the thesis includes statistical processing of the measured data, aimed at comparing the chemical resistance of individual silicate systems and evaluating their long-term immobilization and fixation capacity towards the monitored transition metals.

Keywords:

C-S-H phases, tobermorite, hydrothermal synthesis, transition metals, stability, potassium carbonate, spectrometry

Date of defence

15.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Student obhajoval práci na téma Stabilita syntetických dopovaných C-S-H fází v modelovém hydratačním prostředí. při obhajobě nejdříve představil motivaci své práce principy růstu CSH gelu a možnosti použití nukleačních zárodků. Následně ukázal přehled testovaných vzorků, postup syntézy vzorků a jejich charakterizace. Poté představil výsledky XRD charakterizace a uvolňování sledovaných iontů do roztoku. Po závěrečném shrnutí byl student vyzván na odpovědi otázek oponenta: 1) V teoretické části práce autor podrobně rozebírá Richardsonovy strukturní modely založené na kombinacích tobermorit/jennit (T/J) a tobermorit/portlandit (T/CH). Na základě vašich experimentálních výsledků – zejména s ohledem na XRD analýzu, která u všech krystalických vzorků potvrdila dominantní fázi 11Å tobermoritu – který z těchto teoretických modelů podle vás lépe vystihuje strukturu vámi studovaných fází a jak se v těchto modelech projevuje mřížková substituce přechodnými kovy? 2) Rentgenová difrakční analýza odhalila, že u vzorku dopovaného mědí došlo k parciální fázové separaci za vzniku tenoritu a kalcitu, zatímco u niklu nebyla samostatná krystalická fáze detekována. Domníváte se, že nízké hodnoty výluhů mědi v alkalickém prostředí (do 1,5 mg/l) jsou dány skutečnou imobilizací v mřížce tobermoritu, nebo mohou být způsobeny sekundárním srážením hydroxidu měďnatého na povrchu nečistot (tenoritu)? Následně komise položila tyto otázky: 1) Jak si vysvětujete tak vysoké naměřené koncentrace křemíku? 2) Jak si vysvětlujete vysokou nukleační bariéru u CSH gelu? Na dané otázky student velmi dobře odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (BPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Lucie Keršnerová, Ph.D. (člen)
Ing. Jiří Másilko, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ladislav Omelka, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)

Předložená bakalářská práce studenta Tomáše Sýse na téma „Stabilita syntetických dopovaných C-S-H fází v modelovém hydratačním prostředí“ se věnuje vysoce aktuálnímu tématu stability a imobilizační schopnosti kalcium-silikát-hydrátů (C-S-H), které tvoří 50–60 % objemu hydratovaného cementu a jsou klíčové pro dlouhodobou chemickou imobilizaci toxických těžkých kovů. Práce je logicky členěna na teoretickou rešerši, experimentální část, prezentaci výsledků a jejich odbornou diskusi.
Teoretická část podává přehled o mechanismech hydratace a struktuře C-S-H gelu s vazbou na krystalické analogy tobermoritu a jennitu. Literární rešerše je zpracována na dobré úrovni, i když v oblasti mechanismů záchytu kovů by bylo možné jít do větší hloubky, zejména u vlivu povrchového náboje na adsorpci kationtů v alkalickém prostředí.
Experimentální část se zaměřuje na studium kinetiky uvolňování prvků v simulovaném prostředí. Jako referenční standard byl použit komerční nanoseed bez přítomnosti těžkých kovů v mřížce. Jako ekvivalent byly použity syntetické analogy tobermoritu s Ni a Cu připravené hydrotermální syntézou. Student využil širokou paletu analytických metod (XRD, SEM-EDS, AAS, ICP-OES a laserovou granulometrii) k posouzení čistoty syntetizovaných fází a kinetiky uvolňování prvků v deionizované vodě a alkalickém prostředí. Získané výsledky a jejich následná diskuse přinášejí cenné poznatky o chování dopovaných systémů ve srovnání s komerčním aditivem Master Seed X.
Výsledky a následná diskuse předložené práce přinášejí několik zásadních zjištění, zejména v případě imobilizace niklu, kde XRD analýza nepotvrdila fázovou separaci jeho oxidů (jako tomu bylo u mědi), což ve spojení s nulovým výluhem v prostředí 1M K2CO3 svědčí o strukturní fixaci iontů v C-S-H fázi. Dále student správně interpretoval mechanismus potlačení koncentrace vápníku v alkalickém prostředí K2CO3 v důsledku srážení kalcitu, což je jev zásadní pro pochopení vlivu topochemické karbonatace na stabilitu fixovaných kontaminantů v cementové matrici.
Student prokázal schopnost samostatné vědecké práce a správné interpretace naměřených dat. Práce splňuje stanovené cíle a poskytuje relevantní podklady pro další výzkum imobilizace kontaminantů. Na základě výše uvedeného práci hodnotím stupněm „B“ a doporučuji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Conclusions and Their Formulation B
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature B
Use of Knowledge Gained from the Literature B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Michal Marko, Ph.D.

Předložená bakalářská práce se zaměřuje na aktuální téma studia stability syntetických fází typu C-S-H, a to jak v čisté formě, tak v úpravách dopovaných ionty mědi a niklu. Práce je logicky členěna do klasických kapitol, které na sebe plynule navazují a vytvářejí ucelený rámec řešené problematiky.
V teoretické části autor přehledně shrnuje mechanismy hydratace hlavních slínkových minerálů a detailně se věnuje struktuře a vlastnostem hydratačních produktů se zaměřením na krystalické analogy C-S-H. Navzdory ucelenému pohledu se zde však objevují určité nedostatky. Literární rešerše je sice vhodně doplněna tabulkami a grafickými znázorněními, ty jsou však do textu vloženy zcela bez odkazu, což ztěžuje jejich provázanost s výkladem. Dále se napříč teorií vyskytují technicky neobvyklá spojení a terminologická nekonzistentnost, patrná například při kombinování objemových a hmotnostních zastoupení doplňkových cementových materiálů.
Experimentální činnost je věnována studiu stability (rozpouštění) fází v prostředí demineralizované vody a roztoku uhličitanu draselného. Autor v rámci diskuze relevantně porovnává laboratorně připravený čistý a dopovaný 11Å tobermorit s komerčně dostupným nano-C-S-H aditivem (Master Seed X). Výsledky a diskuze správně interpretují schopnost C-S-H fixovat přechodné kovy, což dokládá velmi nízké uvolňování niklu a mědi do roztoku, v souladu s literárními předpoklady.
K interpretaci dat a způsobu jejich prezentace jsou však výhrady. Přestože zadání práce výslovně požaduje statistické zpracování výsledků, autor se omezuje na prosté prokládání naměřených křivek pH a vodivosti polynomy. Bylo by žádoucí doplnit rozsáhlejší statistickou analýzu (např. stanovení nejistot měření), která by zvýšila validitu závěrů. Některá tvrzení v diskuzi, například o „přechodném nárůstu vápníku“ či „precipitaci “, nejsou podložena konkrétními odkazy na literaturu zabývající se rozpustností kalcitu v alkalickém prostředí. Celkovou úroveň diskuze by rovněž pozvedlo hlubší srovnání s výsledky jiných autorů věnujících se imobilizaci kovů.
Po formální stránce je práce na dobré úrovni s minimem překlepů. Vyskytují se však mírné nekonzistence v typografii, zejména při psaní rozsahů a jednotek. U chemických vzorců v některých částech textu chybí korektní dolní indexy (jsou nahrazeny malými písmeny). Tyto drobné nedostatky sice nebrání celkovému porozumění textu, ale mírně snižují jeho jinak vysokou kvalitu.
I přes uvedené připomínky práce splňuje požadavky na ni kladené a autor prokázal schopnost samostatné práce v laboratoři i při zpracování dat.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements B
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results B
Use of Literature and Citations B
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis A
Conclusions and Their Formulation B
Topics for thesis defence:
  1. V teoretické části práce autor podrobně rozebírá Richardsonovy strukturní modely založené na kombinacích tobermorit/jennit (T/J) a tobermorit/portlandit (T/CH). Na základě vašich experimentálních výsledků – zejména s ohledem na XRD analýzu, která u všech krystalických vzorků potvrdila dominantní fázi 11Å tobermoritu – který z těchto teoretických modelů podle vás lépe vystihuje strukturu vámi studovaných fází a jak se v těchto modelech projevuje mřížková substituce přechodnými kovy?
  2. Rentgenová difrakční analýza odhalila, že u vzorku dopovaného mědí došlo k parciální fázové separaci za vzniku tenoritu a kalcitu, zatímco u niklu nebyla samostatná krystalická fáze detekována. Domníváte se, že nízké hodnoty výluhů mědi v alkalickém prostředí (do 1,5 mg/l) jsou dány skutečnou imobilizací v mřížce tobermoritu, nebo mohou být způsobeny sekundárním srážením hydroxidu měďnatého na povrchu nečistot (tenoritu)?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová