بوزولان

البوزولانات فئة واسعة من المواد السيليسية والألومينية التي لا تمتلك في حد ذاتها قيمة إسمنتية تُذكر ، ولكنها تتفاعل كيميائيًا مع هيدروكسيد الكالسيوم (Ca(OH) _₂ ) عند درجة الحرارة العادية، في حالتها المطحونة بدقة وفي وجود الماء، لتكوين مركبات ذات خصائص إسمنتية. ^{[ 1 ]} ويُقاس نشاط البوزولان عن طريق قياس قدرته على التفاعل مع هيدروكسيد الكالسيوم والماء . ^{[ 2 ]} والبوزولانات هي مواد بوزولانية طبيعية المنشأ بركاني.

استُخدمت مخاليط من الجير المكلس ومواد الألومينوسيليكات النشطة المطحونة ناعماً كمواد رابطة غير عضوية في العالم القديم. وقد أظهرت البقايا المعمارية للحضارة المينوية في جزيرة كريت أدلة على الاستخدام المشترك للجير المطفأ مع إضافة شظايا فخارية مطحونة ناعماً لطلاء الحمامات والخزانات والقنوات المائية بمادة عازلة للماء. ^{[ 3 ]} وتشير الأدلة على الاستخدام المتعمد للمواد البركانية، مثل الرماد البركاني أو التوف، من قبل الإغريق القدماء إلى ما لا يقل عن 500-400 قبل الميلاد، كما تم اكتشافه في مدينة كاميروس القديمة في رودس . ^{[ 4 ]} وفي القرون اللاحقة، انتشرت هذه الممارسة إلى البر الرئيسي، ثم تبناها الرومان وطوروها . استخدم الرومان الخفاف البركاني والتوف البركاني الموجود في المناطق المجاورة، وأشهرها ما وُجد في بوتسولي (نابولي)، ومن هنا جاء اسم "البوزولان"، وفي سيغني (لاتيوم). وكان يُفضّل استخدام مصادر البوزولان الطبيعية مثل التراس الألماني ، ولكن كان يُستخدم نفايات السيراميك المسحوقة بكثرة عندما لا تتوفر الرواسب الطبيعية محليًا. وتشهد الظروف الاستثنائية لعمر بعض أشهر المباني الرومانية، مثل البانثيون وجسر بونت دو غارد، التي شُيّدت باستخدام ملاط ​​البوزولان والجير والخرسانة، على براعة المهندسين الرومان وخصائص المواد الرابطة التي استخدموها.

فُقدت الكثير من المهارات والمعارف العملية المتعلقة باستخدام البوزولان مع انهيار الإمبراطورية الرومانية. كما أدى إعادة اكتشاف الممارسات المعمارية الرومانية، كما وصفها فيتروفيوس في كتابه "دي أركيتكتورا" ، إلى إعادة استخدام مواد الربط الجيرية البوزولانية ^{[ 5 ]} . وقد ساهمت قوتها ومتانتها وقدرتها على التصلب تحت الماء في جعلها مواد بناء شائعة خلال القرنين السادس عشر والثامن عشر. إلا أن اختراع أنواع أخرى من الأسمنت الجيري الهيدروليكي ، ثم الأسمنت البورتلاندي في القرنين الثامن عشر والتاسع عشر، أدى إلى تراجع تدريجي في استخدام مواد الربط الجيرية البوزولانية، التي تكتسب قوتها ببطء.

على مدار القرن العشرين، أصبح استخدام البوزولان كمواد مضافة (المصطلح التقني هو "مواد إسمنتية تكميلية"، ويُختصر عادةً إلى "SCM") لخلطات الخرسانة الإسمنتية البورتلاندية ممارسة شائعة. وقد ساهمت مجموعة من العوامل الاقتصادية والتقنية، بالإضافة إلى المخاوف البيئية المتزايدة، في جعل ما يُسمى بالإسمنت المخلوط، أي الإسمنت الذي يحتوي على كميات كبيرة من المواد الإسمنتية التكميلية (حوالي 20% من الوزن في الغالب، ولكن أكثر من 80% من الوزن في إسمنت خبث الأفران العالية البورتلاندي )، النوع الأكثر إنتاجًا واستخدامًا من الإسمنت بحلول بداية القرن الحادي والعشرين. ^{[ 6 ]}

يشمل التعريف العام للمواد البوزولانية عددًا كبيرًا من المواد التي تتباين بشكل كبير من حيث المنشأ والتركيب والخصائص. تُظهر كل من المواد الطبيعية والصناعية (من صنع الإنسان) نشاطًا بوزولانيًا وتُستخدم كمواد إسمنتية تكميلية. يمكن إنتاج المواد البوزولانية الصناعية عمدًا، على سبيل المثال عن طريق التنشيط الحراري لطين الكاولين للحصول على الميتاكاولين ، أو يمكن الحصول عليها كنفايات أو منتجات ثانوية من عمليات درجات الحرارة العالية مثل الرماد المتطاير الناتج عن إنتاج الكهرباء بالفحم. تُعد المنتجات الثانوية الصناعية، مثل الرماد المتطاير ، وغبار السيليكا الناتج عن صهر السيليكون، والميتاكاولين عالي التفاعل، ومخلفات المواد العضوية المحترقة الغنية بالسيليكا مثل رماد قشور الأرز ، من أكثر المواد البوزولانية استخدامًا اليوم . وقد ترسخ استخدامها وخضع للتنظيم في العديد من البلدان. ​​ومع ذلك، فإن إمدادات المنتجات الثانوية البوزولانية عالية الجودة محدودة، وقد تم استغلال العديد من المصادر المحلية بالكامل. يمكن إيجاد بدائل للمنتجات الثانوية البوزولانية المعروفة من جهة في توسيع نطاق المنتجات الثانوية الصناعية أو النفايات المجتمعية التي يتم أخذها في الاعتبار، ومن جهة أخرى في زيادة استخدام البوزولان الطبيعي.

تتواجد البوزولانات الطبيعية بكثرة في بعض المناطق، وتُستخدم على نطاق واسع كمادة مضافة إلى إسمنت بورتلاند في دول مثل إيطاليا وألمانيا واليونان والصين. ويُستخدم الرماد البركاني والخفاف، المكونان في الغالب من الزجاج البركاني ، بشكل شائع، وكذلك الرواسب التي تحول فيها الزجاج البركاني إلى زيوليت بفعل تفاعله مع المياه القلوية. أما الرواسب الرسوبية فهي أقل شيوعًا، وتُعد التربة الدياتومية ، المتكونة من تراكم الهياكل الدقيقة للدياتومات السيليسية ، مصدرًا رئيسيًا لها.

تتعدد فوائد استخدام البوزولان في صناعة الإسمنت والخرسانة. أولها المكسب الاقتصادي الناتج عن استبدال جزء كبير من إسمنت بورتلاند ببوزولان طبيعي أرخص ثمناً أو بمنتجات ثانوية صناعية. ثانيها خفض التكلفة البيئية للإسمنت المخلوط المرتبطة بانبعاثات غازات الاحتباس الحراري أثناء إنتاج إسمنت بورتلاند. وثالثها زيادة متانة المنتج النهائي.

إن مزج المواد البوزولانية مع أسمنت بورتلاند له تأثير محدود على عملية الإنتاج التقليدية ويوفر الفرصة لتحويل النفايات (على سبيل المثال، الرماد المتطاير ) إلى مواد بناء متينة.

يُمكن عادةً تقليل نسبة الأسمنت البورتلاندي في الخلطة الخرسانية بنسبة 40% عند استبداله بمزيج من المواد البوزولانية. تُستخدم البوزولان للتحكم في التصلب، وزيادة المتانة، وخفض التكلفة، والحد من التلوث دون التأثير بشكل ملحوظ على مقاومة الضغط النهائية أو غيرها من خصائص الأداء.

تتأثر خصائص الأسمنت المخلوط المتصلب بشكل كبير بتطور البنية المجهرية للمادة الرابطة، أي بتوزيع ونوع وشكل وأبعاد كل من نواتج التفاعل والمسام. تُعزى الفوائد المرجوة من إضافة البوزولان، من حيث زيادة مقاومة الضغط والأداء والمتانة، في الغالب إلى التفاعل البوزولاني الذي يُستهلك فيه هيدروكسيد الكالسيوم لإنتاج نواتج تفاعل إضافية من سيليكات الكالسيوم المائية (CSH) وهيدروكسيد الكالسيوم المائي (CAH). تعمل نواتج التفاعل البوزولاني هذه على ملء المسام، مما يؤدي إلى تحسين توزيع حجم المسام أو بنيتها، وبالتالي تقليل نفاذية المادة الرابطة.

يتطور تأثير التفاعل البوزولاني على قوة الأسمنت عادةً في مراحل التصلب اللاحقة، وذلك تبعًا لنشاط البوزولان. في الغالبية العظمى من الأسمنت المخلوط، تُلاحظ مقاومة أولية أقل مقارنةً بأسمنت بورتلاند الأصلي. مع ذلك، وخاصةً في حالة البوزولان ذي الحبيبات الأدق من أسمنت بورتلاند، يكون انخفاض المقاومة المبكرة عادةً أقل مما هو متوقع بناءً على عامل التخفيف. يُعزى ذلك إلى تأثير الحشو، حيث تملأ حبيبات الأسمنت التكميلي الصغيرة الفراغات بين جزيئات الأسمنت، مما ينتج عنه رابطة أكثر كثافة. كما يُمكن لتسريع تفاعلات إماهة أسمنت بورتلاند أن يُعوض جزئيًا فقدان المقاومة المبكرة.

تُعدّ المقاومة الكيميائية المتزايدة لاختراق المحاليل الكيميائية الضارة وتأثيرها أحد أهم مزايا الأسمنت المخلوط بالبوزولان. كما تُسهم متانة المواد الرابطة المحسّنة في إطالة عمر المنشآت وتقليل الحاجة إلى استبدال المباني المتضررة، وهو أمر مكلف وغير عملي.

من أهم أسباب زيادة المتانة انخفاض محتوى هيدروكسيد الكالسيوم المتاح للمشاركة في التفاعلات التمددية الضارة الناتجة عن عوامل مثل هجوم الكبريتات . علاوة على ذلك، فإن انخفاض نفاذية المادة الرابطة يبطئ دخول الأيونات الضارة مثل الكلور أو الكربونات. كما يمكن للتفاعل البوزولاني أن يقلل من خطر تفاعلات السيليكا القلوية التمددية بين الأسمنت والركام عن طريق تغيير محلول مسام المادة الرابطة. ويؤدي خفض قلوية المحلول وزيادة تركيزات الألومينا إلى تقليل أو منع ذوبان ألومينوسيليكات الركام بشكل كبير. ^{[ 7 ]}

• تفاعل القلويات مع الركام – تفاعل كيميائي متمدد يضر بالخرسانة (AAR) 
• تفاعل القلويات والسيليكا – تفاعل كيميائي يُلحق الضرر بالخرسانة (ASR) 
• قيسارية ماريتيما – مدينة شامية قديمة ؛ بُني خليجها الاصطناعي القديم باستخدام البوزولان 
• هيدرات سيليكات الكالسيوم – المنتج الرئيسي لعملية ترطيب أسمنت بورتلاند (CSH) 
• تدوين كيميائي الأسمنت – تدوين مختصر للصيغ الكيميائية للأكاسيد الشائعة (CCN) 
• الأسمنت المعدل طاقيًا - فئة من الأسمنت، تتم معالجتها ميكانيكيًا لتحويل التفاعل (EMC) 
• القداد – تقنية قديمة تستخدم في تلييس الجدران والخزانات 
• الزيوليت

الاقتباسات

مصادر عامة

• كوك، دي جيه (1986). "البوزولانا الطبيعية". في: سوامي آر إن، محرر (1986) مواد استبدال الأسمنت ، مطبعة جامعة ساري، ص  200.
• ماكان، أ.م. (1994). "ميناء كوزا الروماني" (273 ق.م.)، مجلة ساينتفك أمريكان، المدن القديمة ، ص  92-99، بقلم آنا مارغريت ماكان. يغطي الكتاب الخرسانة الهيدروليكية، وملاط "بوزولانا"، والأرصفة الخمسة لميناء كوزا ، والمنارة على الرصيف رقم 5، بالإضافة إلى الرسوم البيانية والصور. ارتفاع مدينة الميناء: 100 ق.م.

• الوسائط المتعلقة بـ Pozzolana على ويكيميديا ​​كومنز