Пуццолан

Природные месторождения пуццоланы (вулканического пепла), расположенные в Южной Калифорнии в США.

Пуццоланы представляют собой широкий класс кремнистых и глиноземистых материалов, которые сами по себе обладают незначительной цементирующей ценностью или вообще не обладают ею, но которые в мелкодисперсной форме и в присутствии воды вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция (Ca(OH) ₂ ) при обычных условиях. температуры с образованием соединений, обладающих цементирующими свойствами. Количественную оценку способности пуццолана реагировать с гидроксидом кальция и водой дают путем измерения его пуццолановой активности . Пуццоланы — это природные пуццоланы вулканического происхождения.

История

Смеси обожженной извести и тонкоизмельченных активных алюмосиликатных материалов были впервые разработаны и разработаны в качестве неорганических связующих в Древнем мире. Архитектурные остатки минойской цивилизации на Крите свидетельствуют о совместном использовании гашеной извести и добавок мелко измельченных глиняных черепков для водонепроницаемой штукатурки в банях, цистернах и акведуках. таких как вулканический пепел или туф, древними греками, датируются как минимум 500–400 годами до нашей эры и были обнаружены в древнем городе Камейрос Свидетельства преднамеренного использования вулканических материалов , на Родосе . В последующие столетия эта практика распространилась на материк и в конечном итоге была принята и развита римлянами . Римляне использовали вулканические пемзы и туфы, найденные на соседних территориях, наиболее известные из них найдены в Поццуоли (Неаполь), отсюда и название пуццолан, и в Сеньи (Лацио). Предпочтение отдавалось природным источникам пуццолана, таким как немецкий трассс , но часто использовались измельченные керамические отходы, когда природные месторождения не были доступны на местном уровне. Исключительный срок службы и условия сохранности некоторых из самых известных римских зданий, таких как Пантеон или Пон-дю-Гар, построенных с использованием пуццоланово-известковых растворов и бетона, свидетельствуют как о превосходном мастерстве, достигнутом римскими инженерами, так и о долговечных свойствах связующих, которые они использовали. использовал.

Большая часть практических навыков и знаний по использованию пуццоланов была утрачена во время упадка Римской империи. Повторное открытие римских архитектурных практик, описанное Витрувием в «О архитектуре» , также привело к повторному введению известково-пуццолановых связующих. Именно прочность, долговечность и гидравлическая способность затвердевать под водой сделали их популярными строительными материалами в 16–18 веках. Изобретение других гидравлических известковых цементов и, в конечном итоге, портландцемента в 18 и 19 веках привело к постепенному сокращению использования пуццолан-известковых вяжущих, которые менее быстро набирают прочность.

В течение 20-го века использование пуццоланов в качестве добавок (технический термин «дополнительный вяжущий материал», обычно сокращенно «SCM») к бетонным смесям на портландцементе стало обычной практикой. Сочетание экономических и технических аспектов и, во все большей степени, экологических проблем привело к появлению так называемых смешанных цементов, т.е. цементов, которые содержат значительные количества дополнительных вяжущих материалов (в основном около 20% по весу, но более 80% по весу в портландской доменной печи). шлаковый цемент), наиболее широко производимый и используемый тип цемента к началу XXI века.

Пуццолановые материалы

Общее определение пуццолана охватывает большое количество материалов, которые сильно различаются по происхождению, составу и свойствам. Как природные, так и искусственные (искусственные) материалы проявляют пуццолановую активность и используются в качестве дополнительных вяжущих материалов. Искусственные пуццоланы могут производиться намеренно, например, путем термической активации каолиновых глин для получения метакаолина , или могут быть получены в виде отходов или побочных продуктов высокотемпературного процесса, таких как летучая зола от угольного производства электроэнергии. Сегодня наиболее часто используемые пуццоланы представляют собой промышленные побочные продукты, такие как летучая зола , микрокремнезем от выплавки кремния, высокореактивный метакаолин и остатки сожженных органических веществ, богатых кремнеземом, такие как зола рисовой шелухи . Их использование прочно установлено и регулируется во многих странах. Однако поставки высококачественных пуццолановых побочных продуктов ограничены, и многие местные источники уже полностью освоены. Альтернативы традиционным пуццолановым побочным продуктам можно найти, с одной стороны, в расширении спектра рассматриваемых промышленных побочных продуктов или социальных отходов, а с другой стороны, в более широком использовании встречающихся в природе пуццоланов.

Природные пуццоланы широко распространены в определенных местах и ​​​​широко используются в качестве добавки к портландцементу в таких странах, как Италия, Германия, Греция и Китай. Обычно используются вулканический пепел и пемза, состоящая в основном из вулканического стекла , а также отложения, в которых вулканическое стекло было преобразовано в цеолиты в результате взаимодействия с щелочными водами. Реже встречаются отложения осадочного происхождения. Диатомитовая земля , образовавшаяся в результате скопления кремнистых диатомовых микроскелетов, является здесь важным исходным материалом.

Использовать

Преимущества использования пуццолана в цементе и бетоне тройны. Во-первых, это экономическая выгода, получаемая за счет замены значительной части портландцемента более дешевыми природными пуццоланами или побочными продуктами промышленного производства. Во-вторых, это снижение экологических издержек производства цемента, связанных с выбросами парниковых газов при производстве портландцемента. Третьим преимуществом является повышенная долговечность конечного продукта.

Смешивание пуццоланов с портландцементом практически не мешает традиционному производственному процессу и дает возможность превращать отходы (например, летучую золу ) в долговечные строительные материалы.

Сокращение содержания портландцемента в бетонной смеси на 40 процентов обычно возможно при его замене комбинацией пуццолановых материалов. Пуццоланы можно использовать для контроля схватывания, увеличения долговечности, снижения стоимости и уменьшения загрязнения без значительного снижения конечной прочности на сжатие или других эксплуатационных характеристик.

Свойства затвердевших смесевых цементов тесно связаны с развитием микроструктуры вяжущего, т. е. с распределением, типом, формой и размерами как продуктов реакции, так и пор. Положительный эффект добавления пуццолана с точки зрения более высокой прочности на сжатие, производительности и большей долговечности в основном объясняется пуццолановой реакцией , в которой гидроксид кальция расходуется для производства дополнительных CSH продуктов реакции и CAH. Эти пуццолановые продукты реакции заполняют поры и приводят к улучшению распределения пор по размерам или структуры пор. Это приводит к снижению проницаемости связующего.

Вклад пуццолановой реакции в прочность цемента обычно проявляется на более поздних стадиях твердения, в зависимости от пуццолановой активности. В подавляющем большинстве смешанных цементов можно наблюдать начальную более низкую прочность по сравнению с исходным портландцементом. Однако, особенно в случае пуццоланов более мелких, чем портландцемент, снижение ранней прочности обычно меньше, чем можно ожидать, исходя из коэффициента разбавления. Это можно объяснить эффектом наполнителя, при котором мелкие зерна СКМ заполняют пространство между частицами цемента, в результате чего вяжущее получается гораздо более плотное. Ускорение реакций гидратации портландцемента также может частично компенсировать потерю ранней прочности.

Повышенная химическая стойкость к проникновению и вредному действию агрессивных растворов является одним из основных преимуществ пуццолановых цементов. Повышенная долговечность связующих на основе пуццолана продлевает срок службы конструкций и снижает дорогостоящую и неудобную необходимость замены поврежденной конструкции.

Одной из основных причин повышения долговечности является пониженное содержание гидроксида кальция, который может участвовать в вредных реакциях расширения, вызванных, например, сульфатной атакой . Кроме того, пониженная проницаемость связующего замедляет проникновение вредных ионов, таких как хлор или карбонат. Пуццолановая реакция также может снизить риск экспансивных щелочно-кремнеземных реакций между цементом и заполнителями за счет изменения пористого раствора связующего. Понижение щелочности раствора и увеличение концентрации глинозема сильно снижает или тормозит растворение агрегатов алюмосиликатов.

См. также

• Щелочно-агрегатная реакция - экспансивная химическая реакция, повреждающая бетон (AAR).
• Щелочно-кремнеземная реакция - Химическая реакция, повреждающая бетон (ASR).
• Кесария Приморская – древний левантийский город и безлюдная деревня; его древняя искусственная бухта была построена из пуццолана.
• Гидрат силиката кальция - основной продукт гидратации портландцемента (CSH).
• Обозначения химика-цементиста - Сокращенные обозначения химических формул обычных оксидов (CCN).
• Энергетически модифицированный цемент - класс цементов, механически обработанных для преобразования реакционной способности (ЭМС).
• Кадад - старая техника штукатурки стен и цистерн.
• Цеолит

Ссылки

Цитаты

Общие источники

• Кук, диджей (1986). «Натуральные пуццоланы». В: Свами Р.Н., редактор (1986) Материалы для замены цемента , издательство Surrey University Press, стр. 200.
• Макканн, AM (1994). «Римский порт Косы» (273 г. до н.э.), Scientific American, Ancient Cities , стр. 92–99, автор: Анна Маргарита Макканн. Покрытия из гидравлического бетона «пуццоланового раствора» и 5 пирсов гавани Коса , маяка на 5 пирсе, схемы и фотографии. Высота города-порта: 100 г. до н.э.

Внешние ссылки

• медиафайлы по теме: Пуццолана. Викискладе есть