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AFm相は、セメント化学表記法(CCN)では「アルミナ、酸化鉄、一置換」相、またはアルミネートフェライト一置換、またはAl 2 O 3、Fe 2 O 3一相です。AFm 相は、ポルトランドセメントおよび水硬性セメントの水和における重要な水和生成物です。
これらは、一般的な簡略化された式3CaO·(Al,Fe) 2 O 3 ·CaX y ·nH 2 Oで表される
結晶性水和物です。
- CaO、Al 2 O 3、Fe 2 O 3 はそれぞれ酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化鉄(III)を表します。
- CaXはカルシウム塩を表し、Xは酸化物イオンを置き換えます。
- XはCaXの置換陰イオンである：
-二価（SO2−4、コロラド州2−3…)、y = 1、または;
– 一価 ( OH −、Cl − …)、y = 2。 - nは水和物中の水分子の数を表し、13から19の範囲になります。[1]
AFm は、とりわけ、三カルシウムアルミネート 3CaO·Al 2 O 3、またはCCN 中のC 3 Aが溶解した硫酸カルシウム( CaSO 4 ) または炭酸カルシウム ( CaCO 3 ) と反応したときに形成されます。コンクリートの硬化セメントペースト (HCP) 内の AFm 相では硫酸塩形態が優勢であるため、AFm は単にアルミネートフェライト一硫酸塩またはカルシウムアルミネート一硫酸塩と呼ばれることがよくあります。ただし、炭酸塩-AFm 相も存在し (一炭酸塩および半炭酸塩)、熱力学的には硫酸塩-AFm 相よりも安定しています。大気中の CO 2によるコンクリートの炭酸化の過程で、硫酸塩-AFm 相もゆっくりと炭酸塩-AFm 相に変化します。
AFmのさまざまなフェーズ
AFm 相は、層状複水酸化物(LDH)のクラスに属します。LDH は二重層構造を持つ水酸化物です。主な陽イオンは 2 価 ( M 2+ ) で、その電荷は 2 つのOH −陰イオン( M(OH) 2 ) によって補われます。一部のM 2+陽イオンは、3 価 ( N 3+ ) に置き換えられます。これにより、過剰な正電荷が生成され、陰イオンが持つ同数の負電荷によって補われる必要があります。これらの陰イオンは、隣接する水酸化物層の間にある空間にあります。LDH の層間も、陰イオンに伴う水分子で占められており、水酸化物シート内の陽イオン同形置換によって生成される過剰な正電荷を相殺します。
最も研究されているLDHのクラスでは、2価のM 2+と3価のN 3+カチオンからなる正層（c）は、次の一般式で表すことができます。
- [ま2+
1-xいいえ3+
x（おお−
) 2 ] x+ [(X n− ) x/n · y H
2牛-
- ここで、X n− は挿入アニオンである。
AFmでは、2価の陽イオンはカルシウムイオン（Ca 2+）であり、置換する3価の陽イオンはアルミニウムイオン（Al 3+ ）である。バランスをとる陰イオン（ X n− ）の性質は非常に多様であり、OH −、Cl −、SO2−4、コロラド州2−3、いいえ−3、いいえ−2[2] [3] [4]中間層の厚さは、不純物として存在することが多い様々な比較的大きな陰イオンを収容するのに十分である：B (OH)−4、セオ2−4、セオ2−3... [5] [6]他のLDHと同様に、AFmはその構造にホウ素[5]やセレン[6]などの毒性元素を組み込むことができます。いくつかのAFm相は、Ca(OH) 2水酸化物シートの過剰な正電荷を相殺するアニオンの性質の関数として、以下の表に示されています。ポートランド石（Ca(OH) 2 ）と同様に、AFmの水酸化物シートは、同じ平面に位置する6配位八面体カチオンで構成されていますが、過剰な正電荷のために、水酸化物シートは歪んでいます。
LDH 式の酸化物表記を変換するには、システム内の質量バランスが物質保存の原理を尊重する必要があります。酸化物イオン( O 2− ) と水は、生石灰( CaO )消和プロセスで典型的に例示されるように、H 2 OとO 2− (強塩基)間の酸塩基反応に従って 2 つの水酸化物アニオン (OH − )に変換されます。
- H 2 O + O 2− ⇌ OH − + OH −、
- A 1 + B 2 ⇌ B 1 + A 2
- あるいは単に、
- O 2− + H 2 O ⇌ 2 OH −
AFm構造
AFm相は、ハイドロカルマイトの構造に由来するカルシウムアルミネート水和物（CAH）の一種である：[7] [8] 4CaO·Al 2 O 3 ·13–19 H 2 O、OH −アニオンの一部がSO 2−4またはCO2−3アニオン。[8]これらのアニオン置換から生じる異なる鉱物相は、固溶体を形成しにくく、独立した相として機能します。水酸化物イオンの硫酸イオンによる置換は50 mol %を超えません。したがって、AFmは単一の純粋な鉱物相を指すのではなく、水和セメントペースト（HCP）中に共存する複数のAFm相の混合物を指します。[1]
一価の陰イオン X を考えると、化学式は 2 [Ca 2 (Al,Fe)(OH) 6 ]·X·nH 2 O (または前のセクションの表に示されているように、 Ca 4 (Al,Fe) 2 (OH) 12 ·X·nH 2 O )と書き直すことができます。Me(OH) 6八面体イオンは、それぞれポートランド石またはブルーサイトの六角形シート内のカルシウムまたはマグネシウム水酸化物の場合のように平面内にあります。 2 価のCa 2+カチオン 1 つを 3 価のAl 3+カチオンで、またはより少ない程度でFe 3+カチオンで置き換えて、Ca:Al 比を 2:1 (3 つのカチオンごとに 1 つの Al を置き換え) にすると、シート内の正電荷が過剰になり、2[2Ca (OH) 2 ·(Al,Fe)(OH) 2 ] +が 2 つの負電荷 X –で補われます。シートによって生じた正電荷の不均衡を相殺するアニオンXは、ブルーサイトやポートランド石の層状構造よりもはるかに広い間隔を持つ層間層に位置します。これにより、AFm構造は水分子とともにより大きなアニオン種を収容することができます。[1]
AFm相の結晶構造は層状複水酸化物（LDH）であり、AFm相も同様の陰イオン交換特性を示す。炭酸イオン（CO2−3）は、最も高い選択係数で層間空間を優先的に占有し、SOなどの他の二価または一価のアニオンよりも層間に保持されます。2−4またはOH −。
宮田（1983）によれば、[10]陰イオン交換の平衡定数（選択係数）はCO2−3> HPO2−4> そう2−4二価陰イオンの場合、OH − > F − > Cl − > Br − > NO−3> I −一価アニオンの場合ですが、この順序は普遍的ではなく、LDH の性質によって異なります。
熱力学的安定性
25℃で研究されたAFm相の熱力学的安定性は、中間層に存在する陰イオンの性質に依存する：CO2−3AFmを安定化し、OH −とSOを置換する2−4炭酸化は、セメントペースト（HCP）に典型的に見られる濃度で存在する陰イオンである。[1] AFm相の炭酸化には、さまざまな炭酸源が寄与する可能性がある： [1]細かく粉砕した石灰石フィラーの添加、大気中のCO 2、セメントのフラッシュセットを避けるためにクリンカーと混ざった石膏に不純物として存在する炭酸塩、および冷却中にクリンカーに凝縮した「アルカリ硫酸塩」、または追加されたクリンカーキルンダストから。[1]炭酸化は、フレッシュコンクリートの内部で、そのセットと硬化中に急速に起こる場合（内部炭酸源）、または外部の炭酸源（空気中のCO 2 、または重炭酸イオン（HCO−3) は、地下水（浸水構造物）または粘土間隙水（基礎および地下構造物）に存在します。
硬化セメントペースト（HCP）中の炭酸塩濃度が増加すると、ヒドロキシAFmは徐々にヘミカルボアルミネート、次いでモノカルボアルミネートに置き換えられる。AFm相の安定性は炭酸塩含有量とともに増加することが、DamidotとGlasser（1995）による25℃でのCaO-Al 2 O 3 -SiO 2 -H 2 O系の熱力学計算によって示されている。[1] [11]
炭酸塩がAFmから硫酸塩を置換すると、コンクリートの細孔水中に放出された硫酸塩がポートランド石（Ca(OH)2）と反応してエトリンガイト（3CaO·Al2O3 · 3CaSO4 · 32H2O）を形成し、これが水和セメント系に存在する主なAFt相となる。 [1]
Matschei et al. (2007)が強調したように、少量の炭酸塩がAFm相の性質と安定性に与える影響は注目に値します。[1] Divet (2000) はまた、マイクロモル量の炭酸塩がAFm硫酸塩の形成を阻害し、エトリンガイト(AFt硫酸塩)の結晶化を促進する可能性があると指摘しています。[9]
参照
参考文献
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さらに読む
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