ポゾラン活性

ポゾラン活性は、水の存在下でのポゾランと Ca ²⁺または水酸化カルシウム(Ca(OH) ₂ )間の反応速度、または時間の経過に伴う反応の程度を表す尺度です。ポゾラン反応の速度は、比表面積、化学組成、活性相含有量 などのポゾランの固有の特性に依存します。

物理的表面吸着は、その過程で不可逆的な分子結合が形成されないため、ポゾラン活性の一部とはみなされない。^[1]

ポゾラン反応は、ポルトランドセメントにポゾランを添加したときに起こる化学反応です。これは、古代ローマで発明され、たとえばパンテオンの建設に使用されたローマコンクリートに含まれる主な反応です。ポゾラン反応は、セメント特性のないシリカを多く含む前駆体を、セメント特性に優れたケイ酸カルシウムに変換します。

化学的に言えば、ポゾラン反応は、ポートランド石としても知られる水酸化カルシウム(Ca(OH) ₂ ) とケイ酸(地球化学表記法では H ₄ SiO ₄、または Si(OH) ₄と表記される) の間で起こります。

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

またはセメント化学者の略記法で要約すると次のようになります。

CH + SH → CSH

ポゾラン反応は、古代の工業用ケイ酸塩表記法で次のように表記することもできます。

カルシウム(OH)
₂+ H
₂SiO
₃→ CaSiO
₃·2時間
₂お

あるいは直接的に:

カルシウム(OH)
₂+ SiO
₂→ CaSiO
₃·H
₂お

両方の表記法は、研究分野に応じて文献で共存している。しかし、より最近の地球化学表記法では、Si原子が4つのヒドロキシル基（Si(OH)
₄、一般的にHとも呼ばれる
₄SiO
₄）は、ケイ酸（H
₂SiO
₃）は炭酸（H
₂CO の
₃）の幾何学的構成は三角平面です。質量バランスのみを考慮する場合、これらは同等であるため、両方が使用されます。

製品 CaH ₂ SiO ₄ ·2 H ₂ O は、ケイ酸カルシウム水和物で、セメント化学表記ではCSHとも略記されます。ハイフンは可変の化学量論を示します。原子 (またはモル) 比 Ca/Si、CaO/SiO ₂、または C/S および水分子の数は変化する可能性があり、上記の化学量論は異なる場合があります。

多くのポゾランには、アルミネート（Al(OH) ₄ ^{− ）}も含まれており、これは水酸化カルシウムおよび水と反応して、C ₄ AH ₁₃、C ₃ AH ₆またはハイドロガーネットなどのアルミネートカルシウム水和物を形成したり、シリカと組み合わさってC ₂ ASH ₈またはストラトリンガイト（セメント化学表記）を形成したりします。硫酸塩、炭酸塩、塩化物などのアニオン基が存在すると、AFm相およびAFt相またはエトリンガイト相が形成されることがあります。

ポゾラン反応は、溶解したケイ酸、水、CaOまたはCa(OH) ₂またはその他のポゾランが関与して強力なセメントマトリックスを形成する長期反応です。このプロセスは不可逆であることが多いです。ポゾラン反応を開始および維持するには、十分な量の遊離カルシウムイオンと12以上の高いpHが必要です。^[2]これは、pHが約12の場合、シリコンイオンとアルミニウムイオンの溶解度がポゾラン反応をサポートするのに十分高いためです。

粉砕を長時間続けると^、反応に利用できる比表面積が大きくなり、ポゾラン活性が高まります。さらに、粉砕によって粒子表面およびその下に結晶学的欠陥も生じます。歪んだ、^または部分的に切断されたケイ酸塩部分の溶解速度が大幅に向上します。石英など、一般的にポゾランとして振る舞わないとされる材料であっても、特定の臨界粒子径以下に粉砕されると反応性を持つようになります。^[3]

ポゾランの全体的な化学組成は、混合セメントバインダーの長期性能（圧縮強度など）を左右するパラメータの1つと考えられており、ASTM C618では、ポゾランにはSiO ₂ + Al ₂ O ₃ + Fe ₂ O _{3 ≥ 70重量%が含まれている必要があると規定されています。}高炉スラグなどの（準）単相材料の場合、全体的な化学組成は意味のあるパラメータと見なすことができますが、多相材料の場合は、ポゾラン活性と活性相の化学との相関関係のみを調べることができます。^[4]

多くのポゾランは、異なるポゾラン活性の相の不均一混合物から構成されています。明らかに、反応性相の含有量は、全体的な反応性を決定する重要な特性です。一般に、常温で熱力学的に安定な相のポゾラン活性は、同じ比表面積ベースで熱力学的に安定していない相集合体と比較すると低くなります。大量の火山ガラスまたはゼオライトを含む火山灰堆積物は、石英砂または砕屑性粘土鉱物よりも反応性があります。この点で、ポゾラン反応の背後にある熱力学的駆動力は、（アルミノ）ケイ酸塩材料の潜在的な反応性の大まかな指標として役立ちます。同様に、ガラスなどの構造的無秩序を示す材料は、結晶性秩序化合物よりも高いポゾラン活性を示します。^[5]

ポゾラン反応の速度は、混合比率、水和生成物の形成と成長に利用できる水または空間の量、反応温度などの外部要因によっても制御できます。したがって、ポルトランドセメントに対するポゾランの置換率、水と結合剤の比率、硬化条件などの一般的な混合セメント混合物の設計特性は、添加されたポゾランの反応性に大きく影響します。

ポゾラン活性の機械的評価は、ポルトランドセメントの一部の代替としてポゾランを含むモルタルバーの圧縮強度と、結合剤としてポルトランドセメントのみを含むモルタルバーの圧縮強度の比較に基づいています。モルタルバーは、詳細な規定に従って準備、鋳造、養生、試験されます。圧縮強度試験は、通常、モルタルの準備後 3、7、28 日の固定された時点で実施されます。材料は、希釈の影響を考慮して圧縮強度に寄与する場合、ポゾラン活性であるとみなされます。ほとんどの国内および国際技術規格または基準には、この方法論のバリエーションが含まれています。

ポゾラン材料は、定義上、水の存在下で水酸化カルシウムと結合することができます。したがって、このポゾラン活性の化学測定は、ポゾラン材料を評価する方法となります。これは、ポゾランが時間の経過とともに消費する水酸化カルシウムの量を直接測定することによって行うことができます。水とバインダーの比率が高い場合 (懸濁溶液)、これは滴定法または分光法によって測定できます。水とバインダーの比率が低い場合 (ペースト)、残留水酸化カルシウム含有量を決定するために、熱分析またはX 線粉末回折法が一般的に使用されます。ポゾラン自体の反応度を直接測定することを目的とした他の直接的な方法も開発されています。ここでは、選択的溶解、X 線粉末回折、または走査型電子顕微鏡画像分析法が使用されています。

間接的な方法には、一方では、ポゾランとポートランド石の反応性に関係する材料特性を調べる方法が含まれます。対象となる材料特性は、ポゾラン材料の（反応性）シリカおよびアルミナ含有量、比表面積、および/または反応性鉱物相と非晶質相です。その他の方法は、反応システムの指標となる物理的特性を測定することで、ポゾラン活性の程度を間接的に判定します。電気伝導率、ペーストの化学的収縮、または熱流熱量測定による熱発生の測定は、後者のカテゴリに属します。

• 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。
• Lechtman H. および Hobbs L. (1986)「ローマのコンクリートおよびローマの建築革命」、陶磁器と文明第 3 巻: ハイテクノロジー陶磁器: 過去、現在、未来、WD Kingery 編集、アメリカ陶磁器協会発行、1986 年、およびウィトルウィウス、第 2 巻:v,1、第 5 巻:xii2。
• 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。カバー、水硬性コンクリート、ポゾラナ モルタル、コサ港の 5 つの桟橋、桟橋 5 の灯台、図表、写真。港町の高さ: 紀元前 100 年。
• Mertens, G.; R. Snellings; K. Van Balen; B. Bicer-Simsir; P. Verlooy; J. Elsen (2009). 「一般的な天然ゼオライトと石灰のポゾラン反応およびそれらの反応性に影響を与えるパラメータ」セメントおよびコンクリート研究。39 (3): 233–240。doi :10.1016/j.cemconres.2008.11.008。ISSN 0008-8846  。