فعالیت پوزولانی
فعالیت پوزولانی یک اندازه‌گیری برای میزان واکنش در طول زمان یا نرخ واکنش بین یک پوزولان و Ca(2+) یا کلسیم هیدروکسید (Ca(OH)2) در حضور آب است. نرخ واکنش پوزولانی وابسته به ویژگی‌های ذاتی پوزولان است، مانند مساحت سطح خاص، ترکیب شیمیایی و محتوای فاز فعال. جذب سطحی فیزیکی به عنوان بخشی از فعالیت پوزولانی در نظر گرفته نمی‌شود، زیرا در این فرآیند پیوندهای مولکولی غیرقابل بازگشتی ایجاد نمی‌شوند.[۱]
واکنش[ویرایش]
واکنش پوزولانی واکنش شیمیایی است که با افزودن پوزولان‌ها در سیمان پرتلند رخ می‌دهد. این واکنش اصلی دخیل در ساخت بتن رومی است که در دوران باستان توسط رومیان اختراع شد و برای ساخت ساختمان‌هایی چون پانتئون استفاده شد. واکنش پوزولانی یک پیش ماده که دارای خواص چسبندگی نیست را به یک سیلیکات کلسیم با خواص چسبندگی خوب تبدیل می‌کند.
از نظر شیمیایی، واکنش پوزولانی بین هیدروکسید کلسیم، همچنین شناخته شده به نام پرتلندیت (Ca(OH)2)، و اسید سیلیکیک (نوشته شده به شکل H4SiO4 یا Si(OH)4 در نماد ژئوشیمیایی) رخ می‌دهد.
- Ca(OH)2 + H4SiO4 → CaH2SiO4·2 H2O
یا به طور خلاصه با نمادنگاری کوتاه شیمیایی سیمانی:
- CH + SH → C-S-H
واکنش پوزولانیک همچنین می‌تواند به شکل نمادنگاری سیلیکات صنعتی باستانی نیز نوشته شود:
- Ca(OH)
2 + H
2SiO
3 → CaSiO
3·2 H
2O
یا حتی به طور مستقیم:
- Ca(OH)
2 + SiO
2 → CaSiO
3·H
2O
هر دو نمادنگاری قابل استفاده هستند و با توجه به موضوع تحقیق یکی از آن‌ها انتخاب می‌شود.
محصول(:Ca(OH)
2 + SiO
2 → CaSiO
3·H
2O) یک کلسیم سیلیکات هیدرات، مخفف شده به شکل C-S-H با نمادنگاری کوتاه شیمیایی سیمانی، خط تیره برای نشان دادن استوکیومتری متغیر است. نسبت اتمی (یا مولار) Ca/Si، CaO/SiO2 یا C/S و تعداد مولکول‌های آب می‌تواند تفاوت داشته باشد و استوکیومتری ذکر شده در بالا نیز می‌تواند متفاوت باشد.
بسیاری از پوزولان‌ها ممکن است حاوی آلومینات (Al(OH)4−) باشند که با کلسیم هیدروکسید و اب واکنش داده تا کلسیم آلومینات هیدرات‌هایی مانند C4AH13، C3AH6 و یا هیدروگارنت، یا در ترکیب با سیلیکا C2ASH8 یا استراتلینگیت را شکل دهد. در حضور گروه‌های آنیونی مانند سولفات، کربنات و کلراید، فازهای Afm و AFt یا فازهای اترینگایت می‌توانند شکل بگیرند.
واکنش پوزولانی یک فرآیند بلندمدت است که حاوی اسید سیلیسیک حل شده، آب و CaO یا Ca(OH)₂ یا دیگر پوزولان‌ها می‌شود تا یک ماتریس چسبندگی قوی ایجاد کند. این فرآیند اغلب غیرقابل برگشت است. مقدار کافی یون کلسیم آزاد و pH بالای ۱۲ و بیشتر برای آغاز و حفظ واکنش پوزولانی لازم است.[۲] این به دلیل این است که در pH حدود ۱۲، حلالیت یون‌های سیلیسیم و آلومینیوم به اندازه کافی بالاست تا واکنش پوزولانی را پشتیبانی کند.
پارامترهای تعیین‌کننده فعالیت[ویرایش]
ویژگی‌های ذرات:[ویرایش]
آسیاب‌کاری طولانی با ایجاد یک مساحت سطح خاص بزرگتر که برای واکنش در دسترس است منجر به افزایش فعالیت پوزولانی می‌شود. علاوه بر این، آسیاب‌کاری نیز عیوب بلوری در و زیر سطح ذرات ایجاد می‌کند. نرخ حل شدن گروه‌های سیلیکاتی باز یا به طور جزئی جدا شده به شدت افزایش می‌یابد. حتی موادی که معمولاً به عنوان پوزولان شناخته نمی‌شوند، مانند کوارتز، می‌توانند واکنش‌پذیر شوند هنگامی که تا زیر یک قطر ذره حیاتی خاص آسیاب شوند.[۳]
ترکیب:[ویرایش]
ترکیب شیمیایی کلی یک پوزولان به عنوان یکی از پارامترهای کنترل‌کننده عملکرد بلندمدت (مانند استحکام فشاری) چسبنده سیمان مخلوط، در نظر گرفته می‌شود. استاندارد ASTM C618 تعیین می‌کند که یک پوزولان باید شامل SiO2 + Al2O3 + Fe2O3 ≥ 70 درصد وزنی باشد. در صورت (کوآسی) مواد تک فاز مانند شناور کوره، ترکیب شیمیایی کلی ممکن است به عنوان یک پارامتر معنادار در نظر گرفته شود؛ اما برای مواد چندفازی تنها می‌توان بررسی کرد که چگونه همبستگی بین فعالیت پوزولانی و شیمی فازهای فعال ایجاد می‌شود.[۴]
بسیاری از پوزولان‌ها از مخلوط گوناگونی از فازهای با فعالیت پوزولانی مختلف تشکیل شده‌اند. بدیهی است که میزان فازهای واکنش‌پذیر یک ویژگی مهم برای تعیین واکنش کلی است. به طور کلی، فعالیت پوزولانی فازهای پایدار به لحاظ ترمودینامیکی در شرایط محیطی پایین‌تر نسبت به تراکم‌های فاز کمتر پایدار ترمودینامیکی با توجه به سطح خاص مساوی قرار دارند. ته‌نشین خاکسترهای آتشفشانی که حاوی مقادیر زیادی شیشه آتشفشانی یا زئولیت هستند، واکنش‌پذیرتر از شن‌های کوارتز یا مواد کانی خاکی هستند. در این رابطه، نیروی پیشران پشت واکنش پوزولانی به عنوان یک نشانگر سطحی از فعالیت پتانسیلی یک ماده (آلومینو-)سیلیکات عمل می‌کند. به همین ترتیب، موادی که ساختاری بی‌نظم (مانند شیشه) نشان می‌دهند، فعالیت‌های پوزولانی بالاتری نسبت به ترکیبات بلوری دارای نظم ساختاری دارند.[۵]
شرایط واکنش:[ویرایش]
نرخ واکنش پوزولانی می‌تواند توسط عوامل خارجی نظیر نسبت‌های مخلوط، مقدار آب یا فضای موجود برای تشکیل و رشد محصولات هیدراتاسیون، و دمای واکنش کنترل شود. بنابراین، ویژگی‌های معمول طراحی مخلوط سیمان ترکیبی مانند نسبت جایگزینی پوزولان به سیمان پرتلند، نسبت آب به مواد چسبنده، و شرایط نگهداری به شدت بر واکنش‌پذیری پوزولان افزوده شده تأثیرگذارند.
آزمون‌های فعالیت پوزولانی[ویرایش]
آزمون‌های مکانیکی:[ویرایش]
ارزیابی مکانیکی فعالیت پوزولانی بر اساس مقایسه استحکام فشاری نمونه‌های ملات حاوی پوزولان به عنوان جایگزین جزئی برای سیمان پرتلند با نمونه‌های مرجع حاوی تنها سیمان پرتلند به عنوان چسبنده صورت می‌پذیرد. نمونه‌های ملات طبق دستورالعمل‌های دقیقی تهیه، ریخته، نگهداری و آزموده می‌شوند. آزمون استحکام فشاری معمولاً در لحظات ثابت، به طور معمول 3، 7 و 28 روز پس از تهیه ملات، انجام می‌شود. یک ماده به عنوان فعال پوزولانی در نظر گرفته می‌شود زمانی که با در نظر گرفتن تأثیر ترقیق به استحکام فشاری کمک کند. اکثر استانداردها و مقررات فنی ملی و بین‌المللی شامل نسخه‌های متنوعی از این روش‌ها هستند.
آزمون‌های شیمیایی:[ویرایش]
یک ماده پوزولانی به تعریف، قابلیت چسباندن هیدروکسید کلسیم در حضور آب را دارد. بنابراین، اندازه‌گیری شیمیایی این فعالیت پوزولانی یک روش برای ارزیابی مواد پوزولانی است. این کار با اندازه‌گیری مستقیم مقدار هیدروکسید کلسیمی که یک پوزولان به مرور زمان مصرف می‌کند، انجام می‌شود. در نسبت بالای آب به مواد چسبنده (مخلوط‌های معلق)، این می‌تواند توسط تیتراسیون یا توسط تکنیک‌های اسپکتروسکوپی اندازه‌گیری شود. در نسبت کمتر آب به مواد چسبنده (خمیرها)، تجزیه و تحلیل حرارتی یا تکنیک‌های پراش پودر اشعه ایکس به طور معمول برای تعیین محتوای هیدروکسید کلسیم باقی‌مانده استفاده می‌شوند. روش‌های مستقیم دیگری نیز توسعه داده شده‌اند که هدف آن‌ها اندازه‌گیری مستقیم درجه واکنش خود پوزولان است. در اینجا، روش‌های حل‌شوندگی انتخابی، پراش پودر اشعه ایکس یا تجزیه و تحلیل تصویر میکروسکوپ الکترونی به کار گرفته شده‌اند.
روش‌های غیرمستقیم شامل دو دسته‌ی روش‌ها هستند. یک سو تشکیل شده از روش‌هایی است که بررسی می‌کنند که چه خصوصیات مواد مسئول برای واکنش پوزولان با پورتلندیت هستند. خصوصیات مورد توجه شامل محتوای سیلیکای فعال و آلومینا فعال، مساحت سطح خاص و یا فازهای معدنی و آمورف مواد پوزولانی می‌باشد. روش‌های دیگر به صورت غیرمستقیم میزان فعالیت پوزولانیک را با اندازه‌گیری یک خصوصیت فیزیکی نمایانگر سیستم واکنش می‌کنند. اندازه‌گیری هادیات الکتریکی، تنش شیمیایی خمیرها یا تحول حرارتی توسط کالری‌سنجی جریان حرارت نمونه‌ها در این دسته قرار می‌گیرند.
منابع[ویرایش]
- ↑ Takemoto, K.; Uchikawa H. (1980). "Hydration of pozzolanic cements". Proceedings of the 7th International Congress on the Chemistry of Cement. IV-2: 1–29.
- ↑ Cherian, C.; Arnepalli, D. (2015). "A critical appraisal of the role of clay mineralogy in lime stabilization". International Journal of Geosynthetics and Ground Engineering. 1 (1): 1–20. doi:10.1007/s40891-015-0009-3.
- ↑ Benezet, J.C.; Benhassaine A. (1999). "Grinding and pozzolanic reactivity of quartz powders". Powder Technology. 105 (1–3): 167–171. doi:10.1016/S0032-5910(99)00133-3.
- ↑ Massazza, F. (2001). "Pozzolana and pozzolanic cements". Lea's Chemistry of Cement and Concrete. Butterworth-Heinemann: 471–636.
- ↑ Snellings, R.; Mertens G.; Elsen J. (2012). "Supplementary cementitious materials". Reviews in Mineralogy and Geochemistry. 74 (1): 211–278. Bibcode:2012RvMG...74..211S. doi:10.2138/rmg.2012.74.6.