ポゾラン

ポゾランは、それ自体にセメントとしての価値はほとんどないか全くないが、細かく砕かれた形で水の存在下で常温で水酸化カルシウム（Ca(OH) _{2 ）と化学反応を起こし、}セメント特性を持つ化合物を形成する、珪酸質およびアルミニウム質材料の広範なクラスである。 ^{[1]ポゾランが水酸化カルシウムおよび水と反応する能力は、}ポゾラン活性を測定することによって定量化される。^[2]ポゾランは、火山起源の天然ポゾランである。

焼石灰と細かく粉砕した活性アルミノケイ酸塩材料の混合物は、古代世界で無機結合剤として開拓され、開発されました。クレタ島のミノア文明の建築遺跡には、浴場、貯水槽、導水路の防水仕上げに消石灰と細かく粉砕した陶片を組み合わせて使用​​していた証拠があります。[ 3 ]古代^ギリシャ人が火山灰や凝灰岩などの火山性物質を意図的に使用していた証拠は、少なくとも紀元前500～400年にまで遡り、ロドス島の古代都市カメイロスで発見されています。^[4]その後数世紀にわたって、この慣行は本土に広がり、最終的にはローマ人に採用され、さらに発展しました。ローマ人は、近隣の地域で見つかった火山性の軽石や凝灰岩を使用しました。最も有名なものは、ポッツオーリ（ナポリ）（ポゾランの名で知られる）とセーニ（ラツィオ）で見つかりました。ドイツのトラスなどの天然のポゾラン源が好まれましたが、天然の堆積物が地元で入手できない場合は、粉砕された陶磁器の廃棄物がよく使用されました。ポゾラン石灰モルタルとコンクリートを使用して建設されたパンテオンやポン・デュ・ガールなど、最も有名なローマの建物の並外れた寿命と保存状態は、ローマの技術者が達成した優れた技量と、彼らが使用した結合剤の耐久性の両方を証明しています。

ポゾランの使用に関する実用的な技術と知識の多くは、ローマ帝国の衰退とともに失われました。ウィトルウィウスが『建築論』で述べているように、ローマの建築慣行の再発見も、石灰ポゾラン結合剤の再導入につながりました。特に、強度、耐久性、水中で硬化する水硬性により、16 世紀から 18 世紀にかけてポゾラン結合剤は人気の建築材料となりました。18 世紀と 19 世紀に他の水硬性石灰セメント、そして最終的にはポートランドセメントが発明された結果、強度の発現が遅いポゾラン石灰結合剤の使用は徐々に減少しました。^{[引用が必要]}

20 世紀を通じて、ポゾランをポルトランドセメントコンクリート混合物への添加物 (専門用語では「補助セメント質材料」、通常は「SCM」と略される) として使用することが一般的になった。経済的側面と技術的側面、そしてますます高まる環境への懸念の組み合わせにより、いわゆる混合セメント、つまり補助セメント質材料を相当量 (通常は重量で約 20% だが、ポルトランド高炉 スラグセメントでは重量で 80% 以上) 含むセメントが、21 世紀初頭までに最も広く生産され、使用されるセメント タイプとなった。^[5]

ポゾランの一般的な定義には、起源、組成および特性の点で大きく異なる多数の材料が含まれます。天然および人工（人造）材料の両方がポゾラン活性を示し、補助的なセメント材料として使用されます。人工ポゾランは、例えばカオリン粘土を熱活性化してメタカオリンを得るなどして意図的に製造することも、石炭火力発電のフライアッシュなど、高温プロセスの廃棄物または副産物として得ることもできます。今日最も一般的に使用されているポゾランは、フライアッシュ、シリコン製錬からのシリカフューム、反応性の高いメタカオリン、籾殻灰などのシリカを多く含む燃焼有機物残留物などの産業副産物です。それらの使用は多くの国でしっかりと確立され、規制されています。ただし、高品質のポゾラン副産物の供給は限られており、多くの現地の供給源はすでに十分に利用されています。既存のポゾラン副産物の代替品は、一方では考慮される産業副産物または社会廃棄物の範囲の拡大、他方では天然ポゾランの使用の増加に見出されます。

天然のポゾランは特定の場所に豊富に存在し、イタリア、ドイツ、ギリシャ、中国などの国々ではポルトランドセメントの添加物として広く使用されています。火山ガラスを主成分とする火山灰や軽石、またアルカリ水との反応により火山ガラスがゼオライトに変化した堆積物が一般的に使用されています。堆積起源の堆積物はそれほど一般的ではありません。珪藻土は珪質珪藻の微小骨格の蓄積によって形成され、ここでは主要な原料です。

セメントやコンクリートにポゾランを使用することで得られる利点は 3 つあります。1 つ目は、ポートランド セメントの大部分を安価な天然ポゾランまたは産業副産物に置き換えることで得られる経済的利益です。2 つ目は、ポートランド セメント製造時に排出される温室効果ガスに関連する混合セメントの環境コストが低減することです。3 つ目は、最終製品の耐久性が向上することです。

ポゾランとポートランドセメントの混合は、従来の製造プロセスへの影響が限られており、廃棄物（フライアッシュなど）を耐久性のある建築資材に変換する機会を提供します。

ポゾラン材料の組み合わせに置き換えると、コンクリート混合物中のポルトランドセメントを 40 パーセント削減することが通常可能です。ポゾランを使用すると、最終的な圧縮強度やその他の性能特性を大幅に低下させることなく、硬化を制御し、耐久性を高め、コストを削減し、汚染を減らすことができます。

硬化した混合セメントの特性は、バインダーの微細構造の発達、すなわち反応生成物と細孔の分布、種類、形状、寸法に大きく関係しています。ポゾラン添加による圧縮強度、性能、耐久性の向上という有益な効果は、主にポゾラン反応によるもので、この反応では水酸化カルシウムが消費されてCSHおよび CAH 反応生成物がさらに生成されます。これらのポゾラン反応生成物は細孔を埋め、細孔サイズ分布または細孔構造を微細化します。その結果、バインダーの 透過性が低下します。

ポゾラン反応によるセメント強度への寄与は、ポゾラン活性に応じて、通常は後期の硬化段階で発現します。混合セメントの大部分では、親ポルトランドセメントと比較して初期強度が低いことが観察されます。ただし、特にポルトランドセメントよりも細かいポゾランの場合、初期強度の低下は通常、希釈係数に基づいて予測されるものよりも小さくなります。これは、小さな SCM 粒子がセメント粒子間の空間を埋め、バインダーの密度が大幅に高まるフィラー効果によって説明できます。ポルトランドセメントの水和反応の加速によっても、初期強度の低下を部分的に補うことができます。

ポゾラン混合セメントの主な利点の 1 つは、腐食性溶液の侵入や有害な作用に対する耐薬品性の向上です。ポゾラン混合バインダーの耐久性の向上により、構造物の耐用年数が長くなり、損傷した構造物を交換するコストと手間が軽減されます。

耐久性が向上する主な理由の1つは、硫酸塩攻撃などによって引き起こされる有害な膨張反応に関与する水酸化カルシウム含有量が低下することです。さらに、バインダーの浸透性が低下すると、塩素や炭酸塩などの有害なイオンの侵入が遅くなります。ポゾラン反応は、バインダー細孔溶液を変更することで、セメントと骨材の間の膨張性アルカリシリカ反応のリスクも軽減します。溶液のアルカリ度を下げ、アルミナ濃度を上げると、骨材アルミノケイ酸塩の溶解が大幅に減少または阻害されます。^[6]

• アルカリ骨材反応 - コンクリートを損傷する膨張性化学反応 (AAR)
• アルカリシリカ反応 – コンクリートを損傷する化学反応 (ASR)
• カイサリア・マリティマ – 古代レヴァント都市。その古代の人工湾はポゾランで造られた。
• ケイ酸カルシウム水和物 – ポルトランドセメント（CSH）の水和物の主生成物
• セメント化学表記法 – 一般的な酸化物 (CCN) の化学式の略記法
• エネルギー改質セメント – 反応性を変換するために機械的に処理されたセメントのクラス (EMC)
• カダド – 壁や貯水槽の漆喰塗りに使われた古い技法
• ゼオライト

引用

一般的な情報源

• Cook, DJ (1986) 「天然ポゾラン」。Swamy RN 編著 (1986) 『セメント代替材料』、Surrey University Press、p. 200。
• McCann, AM (1994)。「ローマのコサ港」(紀元前 273 年)、Scientific American、Ancient Cities、pp. 92–99、Anna Marguerite McCann 著。コサ港の「ポゾラナ モルタル」と5 つの桟橋のカバー、水硬性コンクリート、桟橋 5 の灯台、図表、写真。港町の高さ: 紀元前 100 年。

• ウィキメディア・コモンズのポッツォラーナ関連メディア

• 古代ローマのコンクリートが何千年ももつことができた理由がついに判明、ミシェル・スター、2024年10月29日、sciencealert.com