.jpg/1280px-EMC_Cement_Natural_Pozzolan_Deposits_(Southern_California).jpg)
Пуццоланы представляют собой широкий класс кремнистых и глиноземистых материалов, которые сами по себе обладают незначительной цементирующей ценностью или не обладают ею вовсе, но которые в тонкоизмельченной форме и в присутствии воды вступают в химическую реакцию с гидроксидом кальция (Ca(OH) 2 ) при обычной температуре, образуя соединения, обладающие цементирующими свойствами. [1] Количественная оценка способности пуццолана реагировать с гидроксидом кальция и водой осуществляется путем измерения его пуццолановой активности . [2] Пуццоланы — это природные пуццоланы вулканического происхождения.
Смеси кальцинированной извести и тонкомолотых активных алюмосиликатных материалов были впервые разработаны и разработаны в качестве неорганических связующих веществ в Древнем мире. Архитектурные останки минойской цивилизации на Крите показали доказательства совместного использования гашеной извести и добавок тонкомолотых черепков для водонепроницаемой штукатурки в ваннах, цистернах и акведуках. [3] Свидетельства преднамеренного использования вулканических материалов , таких как вулканический пепел или туф, древними греками датируются по крайней мере 500–400 гг. до н. э., как было обнаружено в древнем городе Камейрос на Родосе . [4] В последующие столетия эта практика распространилась на материк и в конечном итоге была принята и далее развита римлянами . Римляне использовали вулканические пемзы и туфы, найденные на соседних территориях, самые известные из которых были найдены в Поццуоли (Неаполь), отсюда и название пуццолан, и в Сеньи (Лацио). Предпочтение отдавалось природным источникам пуццолана, таким как немецкий трасс , но часто использовались измельченные керамические отходы, когда местные природные месторождения отсутствовали. Исключительные условия срока службы и сохранности некоторых из самых известных римских зданий, таких как Пантеон или Пон-дю-Гар, построенных с использованием известково-пуццолановых растворов и бетона, свидетельствуют как о превосходном мастерстве, достигнутом римскими инженерами, так и о долговечных свойствах связующих веществ, которые они использовали.
Большая часть практических навыков и знаний относительно использования пуццоланов была утрачена при упадке Римской империи. Повторное открытие римских архитектурных практик, как описано Витрувием в De architectura , также привело к повторному внедрению известково-пуццолановых вяжущих. В частности, прочность, долговечность и гидравлическая способность затвердевания под водой сделали их популярными строительными материалами в XVI–XVIII веках. Изобретение других гидравлических известковых цементов и, в конечном итоге, портландцемента в XVIII и XIX веках привело к постепенному снижению использования пуццоланово-известковых вяжущих, которые набирают прочность медленнее. [ необходима цитата ]
В течение 20-го века использование пуццоланов в качестве добавок (технический термин «дополнительный цементный материал», обычно сокращенно «ДЦМ») к бетонным смесям на основе портландцемента стало обычной практикой. Сочетание экономических и технических аспектов и, все больше, экологических проблем сделали так называемые смешанные цементы, т. е. цементы, которые содержат значительное количество дополнительных цементных материалов (в основном около 20% по весу, но более 80% по весу в портландцементе из доменной печи ), наиболее широко производимым и используемым типом цемента к началу 21-го века. [5]
Общее определение пуццолана охватывает большое количество материалов, которые сильно различаются по происхождению, составу и свойствам. Как природные, так и искусственные (рукотворные) материалы проявляют пуццолановую активность и используются в качестве дополнительных цементирующих материалов. Искусственные пуццоланы могут быть получены намеренно, например, путем термической активации каолиновых глин для получения метакаолина , или могут быть получены в качестве отходов или побочных продуктов высокотемпературного процесса, например, летучей золы от производства электроэнергии на угле. Наиболее часто используемые сегодня пуццоланы — это промышленные побочные продукты, такие как летучая зола , кремнеземная пыль от плавки кремния, высокореакционный метакаолин и остатки сожженных органических веществ, богатые 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 использованы. Альтернативы устоявшимся пуццолановым побочным продуктам можно найти, с одной стороны, в расширении спектра рассматриваемых промышленных побочных продуктов или общественных отходов, а с другой стороны, в более широком использовании природных 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 , в основном состоящие из вулканического стекла , а также отложения, в которых вулканическое стекло было изменено на цеолиты путем взаимодействия со щелочными водами. Отложения осадочного происхождения встречаются реже. Диатомовые земли , образованные путем накопления кремнистых диатомовых микроскелетов, являются здесь важным исходным материалом.
Преимущества использования пуццолана в цементе и бетоне тройные. Во-первых, это экономическая выгода, получаемая за счет замены значительной части портландцемента более дешевыми природными пуццоланами или промышленными побочными продуктами. Во-вторых, это снижение экологических затрат на смешанный цемент, связанных с парниковыми газами, выделяемыми при производстве портландцемента. Третьим преимуществом является повышенная долговечность конечного продукта.
Смешивание пуццоланов с портландцементом вносит ограниченное вмешательство в традиционный производственный процесс и дает возможность преобразовывать отходы (например, летучую золу ) в долговечные строительные материалы.
Сокращение содержания портландцемента в бетонной смеси на 40 процентов обычно осуществимо при замене его комбинацией пуццолановых материалов. Пуццоланы могут использоваться для контроля схватывания, повышения долговечности, снижения стоимости и уменьшения загрязнения без значительного снижения конечной прочности на сжатие или других эксплуатационных характеристик.
Свойства затвердевших смешанных цементов тесно связаны с развитием микроструктуры связующего, т. е. с распределением, типом, формой и размерами как продуктов реакции, так и пор. Положительные эффекты добавления пуццолана с точки зрения более высокой прочности на сжатие, производительности и большей долговечности в основном приписываются пуццолановой реакции , в которой гидроксид кальция расходуется для получения дополнительных продуктов реакции CSH и CAH. Эти продукты пуццолановой реакции заполняют поры и приводят к улучшению распределения размеров пор 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 на основе коэффициента разбавления. Это можно объяснить эффектом наполнителя, при котором мелкие зерна SCM заполняют пространство между частицами цемента, что приводит к образованию гораздо более плотного связующего. Ускорение реакций гидратации портландцемента также может частично компенсировать потерю ранней прочности.
Повышенная химическая стойкость к проникновению и вредному воздействию агрессивных растворов является одним из основных преимуществ цементов с пуццолановыми смесями. Повышенная прочность вяжущих с пуццолановыми смесями продлевает срок службы конструкций и снижает дорогостоящую и неудобную необходимость замены поврежденных конструкций.
Одной из основных причин повышенной прочности является пониженное содержание гидроксида кальция, доступного для участия в вредных расширяющихся реакциях, вызванных, например, сульфатной атакой . Кроме того, пониженная проницаемость связующего замедляет проникновение вредных ионов, таких как хлор или карбонат. Пуццолановая реакция также может снизить риск расширяющихся щелочно-кремниевых реакций между цементом и заполнителями путем изменения раствора пор связующего. Снижение щелочности раствора и увеличение концентрации глинозема сильно снижает или подавляет растворение алюмосиликатов заполнителя. [6]
{{cite journal}}: Цитировать журнал требует |journal=( помощь )
Медиа, связанные с Pozzolana на Wikimedia Commons