Пуццолановая активность

Пуццолановая активность является мерой степени реакции с течением времени или скорости реакции между пуццоланом и Ca. ²⁺ или гидроксид кальция (Ca(OH) ₂ ) в присутствии воды. Скорость пуццолановой реакции зависит от внутренних характеристик пуццолана, таких как удельная площадь поверхности , химический состав и содержание активной фазы.

Физическая поверхностная адсорбция не рассматривается как часть пуццолановой активности, поскольку при этом не образуются необратимые молекулярные связи. ^[1]

Реакция

Пуццолановая реакция — это химическая реакция , которая происходит в портландцементе при добавлении пуццоланов. Это основная реакция, участвующая в римском бетоне, изобретенном в Древнем Риме и использованном, например, при строительстве Пантеона . Пуццолановая реакция превращает богатый кремнеземом предшественник, не обладающий цементирующими свойствами, в силикат кальция с хорошими цементирующими свойствами.

С химической точки зрения, пуццолановая реакция происходит между гидроксидом кальция , также известным как портландит (Ca(OH) ₂ ), и кремниевой кислотой пишется как H ₄ SiO ₄ , или Si(OH) ₄ ( в геохимических обозначениях ):

Ca(OH) ₂ + H ₄ SiO ₄ → CaH ₂ SiO ₄ ·2 H ₂ O

или суммировано в сокращенных обозначениях химика-цементиста :

Ч + Ш → КШ

Пуццолановую реакцию также можно записать в древних промышленных силикатных обозначениях как:

Са(ОН)
₂ + Ч
₂ СиО
₃ → CaSiO
₃ ·2 ч
₂2О

или даже напрямую:

Са(ОН)
₂ + SiO
₂ → CaSiO
₃ ·Ч
₂2О

Оба обозначения до сих пор сосуществуют в литературе в зависимости от рассматриваемой области исследований. Однако более поздние геохимические обозначения, в которых атом Si тетракоординирован четырьмя гидроксильными группами ( Si (OH)
₄ , также часто отмечаемый H
₄ SiO
₄ ) более корректно, чем древнее промышленное силикатное обозначение, для которого используется кремниевая кислота ( H
₂ СиО
₃ ) был представлен так же, как угольная кислота ( H
₂2
₃ ), геометрическая конфигурация которого является тригонально-планарной. Если рассматривать только баланс массы, они эквивалентны и используются оба.

Продукт CaH ₂ SiO ₄ ·2 H ₂ O представляет собой гидрат силиката кальция , также сокращенно CSH в обозначениях химиков-цементистов , дефис обозначает переменную стехиометрию. Атомное (или молярное) соотношение Ca/Si, CaO/SiO ₂ или C/S и количество молекул воды могут варьироваться, а вышеупомянутая стехиометрия может отличаться.

Многие пуццоланы также могут содержать алюминат или Al(OH) _4.⁻, который будет реагировать с гидроксидом кальция и водой с образованием гидратов алюмината кальция, таких как C ₄ AH ₁₃ , C ₃ AH ₆ или гидрогранат , или в сочетании с кремнеземом C ₂ ASH ₈ или стратлингитом ( обозначение химика-цементиста ). В присутствии анионных групп, таких как сульфат, карбонат или хлорид, могут образовываться фазы AFm и фазы AFt или эттрингита .

Пуццолановая реакция представляет собой длительную реакцию, в которой участвуют растворенная кремниевая кислота, вода и CaO или Ca(OH) ₂ или другие пуццоланы с образованием прочной цементационной матрицы. Этот процесс зачастую необратим. Для инициирования и поддержания пуццолановой реакции необходимо достаточное количество свободных ионов кальция и высокий уровень pH 12 и выше. ^[2] Это связано с тем, что при pH около 12 растворимость ионов кремния и алюминия достаточно высока, чтобы поддерживать пуццолановую реакцию.

Параметры, определяющие активность

Свойства частиц

Длительное шлифование ^{[ нужны разъяснения ]} приводит к увеличению пуццолановой активности за счет создания большей удельной поверхности, доступной для реакции. Более того, измельчение также создает кристаллографические дефекты на поверхности частицы и под ней. Скорость растворения напряженных или частично несвязанных силикатных фрагментов сильно увеличивается. Даже материалы, которые обычно не считаются пуццоланом , такие как кварц , могут стать реактивными после измельчения частиц ниже определенного критического диаметра. ^[3]

Состав

Общий химический состав пуццолана рассматривается как один из параметров, определяющих долгосрочные характеристики (например, прочность на сжатие) смешанного цементного вяжущего. ASTM C618 предписывает, что пуццолан должен содержать SiO ₂ + Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O ₃ ≥ 70 мас.%. В случае (квази) однофазного материала, такого как доменные шлаки, общий химический состав можно рассматривать как значимый параметр, для многофазных материалов можно искать только корреляцию между пуццолановой активностью и химией активных фаз. ^[4]

Многие пуццоланы состоят из гетерогенной смеси фаз различной пуццолановой активности. Очевидно, что содержание в реактивных фазах является важным свойством, определяющим общую реакционную способность. В общем, пуццолановая активность фаз, термодинамически стабильных в условиях окружающей среды, низка по сравнению с менее термодинамически стабильными фазовыми комплексами с одинаковой удельной поверхностью. Отложения вулканического пепла, содержащие большое количество вулканического стекла или цеолитов, более реакционноспособны, чем кварцевые пески или обломочные глинистые минералы. В этом отношении термодинамическая движущая сила пуццолановой реакции служит грубым индикатором потенциальной реакционной способности (алюмо)силикатного материала. Точно так же материалы со структурным беспорядком , такие как стекла, демонстрируют более высокую пуццолановую активность, чем кристаллические упорядоченные соединения. ^[5]

Условия реакции

Скорость пуццолановой реакции также можно контролировать внешними факторами, такими как пропорции смеси, количество воды или пространства, доступного для образования и роста продуктов гидратации, а также температура реакции. Таким образом, типичные конструктивные свойства смешанной цементной смеси, такие как соотношение замены пуццолана портландцементом, соотношение воды и связующего и условия отверждения, сильно влияют на реакционную способность добавленного пуццолана.

Тесты на пуццолановую активность

Механические испытания

Механическая оценка пуццолановой активности основана на сравнении прочности на сжатие брусков раствора , содержащих пуццоланы в качестве частичной замены портландцемента , с эталонными брусками раствора, содержащими только портландцемент в качестве связующего вещества. Минометные бруски готовятся, отливаются, затвердевают и испытываются в соответствии с подробным набором рецептов. Испытания на прочность на сжатие проводятся в определенные моменты времени, обычно через 3, 7 и 28 дней после приготовления раствора. Материал считается пуццоланически активным, если он способствует прочности на сжатие с учетом эффекта разбавления. Большинство национальных и международных технических стандартов и норм включают варианты этой методологии.

Химические испытания

Пуццолановый в материал по определению способен связывать гидроксид кальция присутствии воды. Следовательно, химическое измерение этой пуццолановой активности представляет собой способ оценки пуццолановых материалов. Это можно сделать, непосредственно измеряя количество гидроксида кальция, которое пуццолан потребляет с течением времени. При высоком соотношении воды и связующего (суспензионные растворы) это можно измерить титриметрией или спектроскопическими методами . При более низком соотношении воды и связующего вещества (пасты) методы термического анализа или порошковой рентгеновской дифракции обычно используются для определения остаточного содержания гидроксида кальция . Были разработаны другие прямые методы, целью которых является непосредственное измерение степени реакции самого пуццолана. Здесь селективного растворения, порошковой рентгеновской дифракции или сканирующей электронной микроскопии анализа изображений использовались методы .

Косвенные методы включают, с одной стороны, методы, которые исследуют, какие свойства материала ответственны за реакционную способность пуццолана с портландитом. Интересующими свойствами материала являются содержание (ре)активного кремнезема и оксида алюминия, удельная площадь поверхности и/или химически активные минеральные и аморфные фазы пуццоланового материала. Другие методы косвенно определяют степень пуццолановой активности путем измерения ориентировочных физических свойств реагирующей системы. Измерения электропроводности , химической усадки паст или выделения тепла с помощью калориметрии теплового потока относятся к последней категории.

См. также

Ссылки

^ Такемото, К.; Учикава Х. (1980). «Гидратация пуццолановых цементов». Материалы VII Международного конгресса по химии цемента . IV-2 : 1–29.
^ Чериан, К.; Арнепалли, Д. (2015). «Критическая оценка роли минералогии глины в стабилизации известью» . Международный журнал геосинтетики и грунтовой инженерии . 1 (1): 1–20. дои : 10.1007/s40891-015-0009-3 . S2CID 256465326 .
^ Бенезет, Дж. К.; Бенхассейн А. (1999). «Измельчение и пуццолановая реакционная способность кварцевых порошков». Порошковая технология . 105 (1–3): 167–171. дои : 10.1016/S0032-5910(99)00133-3 .
^ Массацца, Ф. (2001). «Пуццоланы и пуццолановые цементы». Химия цемента и бетона Ли . Баттерворт-Хайнеманн: 471–636.
^ Снеллингс, Р.; Мертенс Г.; Элсен Дж. (2012). «Дополнительные вяжущие материалы». Обзоры по минералогии и геохимии . 74 (1): 211–278. Бибкод : 2012RvMG...74..211S . дои : 10.2138/rmg.2012.74.6 .

Дальнейшее чтение

Кук-ди-джей (1986) Натуральные пуццоланы. В: Свами Р.Н., редактор (1986) «Материалы для замены цемента» , издательство Surrey University Press, стр. 200.
Лехтман Х. и Хоббс Л. (1986) «Римский бетон и римская архитектурная революция», Керамика и цивилизация, Том 3: Высокотехнологичная керамика: прошлое, настоящее, будущее , под редакцией В. Д. Кингери и опубликовано Американским обществом керамики, 1986; и Витрувий, Книга II:v,1; Книга V:xii2.
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.
Мертенс, Г.; Р. Снеллингс; К. Ван Бален; Б. Бичер-Симсир; П. Верлой; Дж. Элсен (2009). «Пуццолановые реакции обычных природных цеолитов с известью и параметры, влияющие на их реакционную способность». Исследования цемента и бетона . 39 (3): 233–240. doi : 10.1016/j.cemconres.2008.11.008 . ISSN 0008-8846 .

[Takemoto1980-1] Такемото, К.; Учикава Х. (1980). «Гидратация пуццолановых цементов». Материалы VII Международного конгресса по химии цемента . IV-2 : 1–29.

[Cherian2015-2] Чериан, К.; Арнепалли, Д. (2015). «Критическая оценка роли минералогии глины в стабилизации известью» . Международный журнал геосинтетики и грунтовой инженерии . 1 (1): 1–20. дои : 10.1007/s40891-015-0009-3 . S2CID 256465326 .

[Benezet1999-3] Бенезет, Дж. К.; Бенхассейн А. (1999). «Измельчение и пуццолановая реакционная способность кварцевых порошков». Порошковая технология . 105 (1–3): 167–171. дои : 10.1016/S0032-5910(99)00133-3 .

[Massazza2001-4] Массацца, Ф. (2001). «Пуццоланы и пуццолановые цементы». Химия цемента и бетона Ли . Баттерворт-Хайнеманн: 471–636.

[Snellings2012-5] Снеллингс, Р.; Мертенс Г.; Элсен Дж. (2012). «Дополнительные вяжущие материалы». Обзоры по минералогии и геохимии . 74 (1): 211–278. Бибкод : 2012RvMG...74..211S . дои : 10.2138/rmg.2012.74.6 .

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]