Enerjisi değiştirilmiş çimento - Energetically modified cement

Enerjik olarak modifiye edilmiş çimentolar (EMC'ler), puzolanlardan (örneğin, uçucu kül , volkanik kül , puzolan ), silis kumu , yüksek fırın cürufu veya Portland çimentosundan (veya bu bileşenlerin karışımlarından) yapılan bir çimento sınıfıdır . "Enerjik olarak modifiye edilmiş" terimi , daha doğru bir şekilde "yüksek enerjili bilyalı öğütme" (HEBM) olarak sınıflandırılan, hammaddeye uygulanan mekanokimya işlemi sayesinde ortaya çıkar . Bu, diğerlerinin yanı sıra, kimyasal reaktivitesini artırmak için malzemede termodinamik bir dönüşüme neden olur . EMC'ler için kullanılan HEBM işlemi , İsveç'te keşfedilen ve yalnızca çimento esaslı malzemelere uygulanan, burada "EMC Aktivasyonu" olarak adlandırılan özel bir özel titreşimli öğütme yöntemidir .

Puzzolanların reaktivitesi artırılarak dayanım-gelişim hızları artırılır. Bu, beton ve harçlar için modern ürün-performans gereksinimleri (" teknik standartlar ") ile uyumluluğu sağlar . Bu da beton ve harç karışımlarında Portland çimentosunun değiştirilmesine olanak tanır. Bunun, uzun vadeli niteliklerine bir takım faydaları vardır.

Enerjisi değiştirilmiş çimentoların geniş bir kullanım alanı vardır. Örneğin, EMC'ler , ABD'deki beton standartlarını karşılayan, Amerika Birleşik Devletleri'ndeki büyük altyapı projeleri için betonlarda kullanılmıştır .

Meşrulaştırma

Dönem "enerjik modifiye çimento" ilk başta 1993 yılında keşfedilmiş bir uzman son derece yoğun freze işlemi kullanılarak üretilen çimento sınıfına başvurmak için basit bir termodinamik tanımlayıcısı içeriyor Luleå University of Technology (LTU) içinde İsveç . Dönüştürme işlemi, malzemeleri doğrudan ısıtmak yerine tamamen mekanik olarak başlatılır. Mekanokimyasal dönüşümlerin mekanizmaları genellikle karmaşıktır ve "geleneksel" termal veya fotokimyasal mekanizmalardan farklıdır. HEBM dönüşümünün etkileri, nihai olarak değiştirilmiş bir Gibbs Enerjisinde bulunan termodinamik bir değişime neden olur . İşlem, dönüştürülen malzemelerin bağlanma kapasitesini ve kimyasal reaktivite oranlarını arttırır.

LTU'da enerjik olarak modifiye edilmiş çimentoların "kendi kendini iyileştirme" özelliklerine ilişkin akademik çalışmalar ve araştırmalar devam etmektedir. Örneğin, EMC'ler İsveç'teki Elsa ō Sven Thysells stiftelse för konstruktionsteknisk forskning'den (Elsa & Sven Thysell İnşaat Mühendisliği Araştırma Vakfı) ödüller almıştır .

"EMC" teriminin kullanımı

"Enerjik olarak modifiye edilmiş çimento" terimi ilk olarak 1992'de Vladimir Ronin tarafından kullanılmış ve Ronin ve diğerleri tarafından bir makalede tanıtılmıştır. 1993 tarihli ve akademik Nordic Concrete Research grubunun resmi toplantısında sunuldu. Süreç, Ronin ve Lennart Elfgren (şimdi LTU Fahri Profesörü) dahil diğerleri tarafından rafine edildi.

1996 yılında Brüksel , Belçika'da düzenlenen 45. Dünya Buluş, Araştırma ve Yenilik Sergisi'nde EMC Activation, Avrupa hükümetler arası (araştırma ve geliştirme) kuruluşu EUREKA tarafından "modifikasyon energique de ciments" için altın madalya ile ödüllendirildi. " .

"Enerji açısından modifiye edilmiş" terimi, başka yerlerde, örneğin 2017 gibi yakın bir tarihte kullanılmış olsa da, bu tür bir kullanım, kullanılan yöntemin burada tanımlandığı gibi EMC Aktivasyonu olduğunu göstermez.

genel bakış

Yapılan iddialar şunları içerir:

• EMC, rengi işlenen malzemeye bağlı olan ince bir tozdur (tüm çimentolar için tipiktir).
• EMC'ler, Portland çimentosu üretiminde kullanılan enerjinin yalnızca bir "kısmı" kullanılarak üretilir (talep edilen ~120 KWh/ton, Portland çimentosunun < %10'u).
• İşlem tarafından CO2 salınmaz. Bu "sıfır emisyon".
• Bir EMC'nin amacı, kullanılan harç veya betondaki Portland çimentosu gereksinimini değiştirmektir . % 70'den fazla değiştirme talep edildi.
• EMC Aktivasyonu kuru bir işlemdir.
• Hiçbir zararlı duman salınmaz.
• EMC Aktivasyonu, sıcaklıklar "mikron altı" ölçeklerde "anlık olarak aşırı" olabilse de düşük sıcaklıklı bir işlemdir.
• EMC'ler termodinamik dönüşümleri için kimyasallara ihtiyaç duymazlar.
• Dönüştürülen ham maddelere bağlı olarak çeşitli EMC türleri vardır.
• Kullanıcı gereksinimlerine bağlı olarak, teslim edilen kuru ürünler aynı zamanda "yüksek klinker" Portland çimentosunun azınlık bir oranını da içerebilir.
• Her EMC tipi, mekanik yük ve mukavemet gelişimi dahil olmak üzere kendi performans özelliklerine sahiptir. EMC'lerden dökülen betonlar, önemli "kendi kendini iyileştirme" yetenekleri sağlayabilir.
• En sık kullanılan EMC'ler, uçucu kül ve doğal puzolanlardan yapılır. Bunlar nispeten bol malzemelerdir ve performans özellikleri Portland çimentosunun özelliklerini aşabilir.
• Silika kumu ve granit de Portland çimentosunun yerini alacak şekilde işlemden geçirilebilir.
• EMC ürünleri, bağımsız laboratuvarlar tarafından kapsamlı bir şekilde test edilmiş ve Federal Otoyol İdaresi projeleri de dahil olmak üzere birçok ABD DOT tarafından kullanım için onaylanmıştır .
• EMC'ler, ASTM C618-19 (ABD) gibi ilgili teknik standartlarla uyumludur; EN-197, EN-206 ve EN 450-1:2012 ( EEA dahil CEN bölgeleri ); BS 8615‑1:2019 (İngiltere).
• Portland çimentosu ile karşılaştırıldığında, EMC kullanılarak elde edilen beton karışımı, dayanım geliştirme gereksinimlerini karşılamak için daha yüksek bir "toplam çimento içeriği" gerektirmez.
• BASF tarafından yapılan testte , Portland çimentosunun %55 oranında doğal puzolanik EMC ile değiştirilmesi için 28 günlük dayanım gelişimi 14.000 psi / 96.5 Mpa (yani > C95) olmuştur. Bu, 335 kg/m^3 (564 lbs/CY) beton karışımından oluşan bir "toplam çimento içeriği"ni içeriyordu.

"Düşük Karbonlu" çimentolar olarak EMC'ler

Portland Çimento'nun aksine, bir EMC'nin üretimi hiçbir şekilde karbondioksit salmaz. Bu, EMC'leri " düşük karbonlu çimentolar" yapar.

EMC'nin CO için ilk anılan iddialar ₂ Düşürülmesi yetenekleri dünya çapında Portland çimentosu üretimi yılda 1,6 milyar ton olarak gerçekleşmiştir 1999 yılında yapılmıştır. 2011'den 2019'a kadar dünya çapında Portland çimentosu üretimi yılda 3,6'dan 4,1 milyar tona yükseldi. CO dünya çapında bir azalmaya katkıda bulunmak için Enerjik modifiye çimentonun potansiyel ₂ edilmiş haricen 2002 yılından beri tanınan ve devam eden olmuştur.

McKinsey & Co , Sıfır karbonlu çimentonun temelini atmak 2020 makalesinde şunları söyledi:

"Geleneksel çimento, daha az karbon salan ve üretmek için daha az enerji gerektiren, geliştirilmiş bir çeşitlilik olan enerjik olarak modifiye edilmiş çimento (EMC) ile rekabet edebilir. EMC, Teksas'ta çeşitli projeler için (geleneksel çimento ile birlikte) zaten kullanılmıştır".

Üretim ve saha kullanımı

Üretim sırasında zararlı emisyonlar veya toksik kimyasallar yok

EMC Aktivasyonu tamamen mekanik bir işlemdir. Bu nedenle, ısıtma veya yakma veya aslında herhangi bir kimyasal işlem içermez. Bu, bir EMC'nin üretimi sırasında hiç duman üretilmediği anlamına gelir.

Kullanım Tarihi

EMC'ler 1992 yılından beri geniş bir kullanım yelpazesi için proje kullanımına yönelik olarak üretilmektedir. 2010 yılında, beton hacmi içeren EMCS 4.500.000 oldu döküldü cu yd (3.440.496 m ³ , büyük ölçüde ABD DOT projelerinde). Bunu bağlama oturtmak gerekirse, bu, Hoover Barajı'nın tüm inşaatından , onunla bağlantılı enerji santrallerinden ve bağlı işlerden, toplam 4,360,000 cu·yd (3,333,459 m³ ) betonun döküldüğü, yani bir ABD standart karayoluna eşdeğerdir. San Francisco'dan New York'a.

İsveç'te Erken Kullanım

Uçucu külden yapılan EMC'yi kullanan erken bir proje , 1999 yılında İsveçli inşaat firması Skanska ile Karungi , İsveç'te bir karayolu köprüsü inşaatıydı . Karungi karayolu köprüsü, Karungi'nin sert subarktik iklimine ve farklı yıllık ve günlük sıcaklık aralıklarına dayanmıştır .

Amerika Birleşik Devletleri'nde Kullanım

Amerika Birleşik Devletleri'nde, enerjik modifiye çimentolar dahil devlet ulaştırma kurumları bir dizi ile kullanım için onaylanmıştır PennDOT , TxDOT ve Caltrans .

Amerika Birleşik Devletleri'nde, uçucu külden elde edilen EMC'den yapılan betonlar kullanılarak otoyol köprüleri ve yüzlerce kilometrelik otoyol kaplaması inşa edilmiştir. Bu projeler Interstate 10'un bölümlerini içerir . Bu projelerde EMC, dökülen betondaki Portland çimentosunun en az %50'sini değiştirmiştir. Bu, enerjik modifikasyonun kullanılmadığı projelerdeki tipik uçucu kül miktarının yaklaşık 2,5 katıdır. Bağımsız test verileri, tüm projelerde 28 günlük dayanım geliştirme gereksinimlerinin aşıldığını gösterdi.

Diğer bir proje, enerjik olarak değiştirilmiş çimentonun klorür – ve sülfat – iyonu geçirgenliğine (yani deniz sularına karşı artan direnç ) karşı yüksek direnç sergileyen betonlar verme yeteneğinin bir faktör olduğu Houston , Teksas Limanı'ndaki yolcu terminallerinin genişletilmesiydi .

EMC'lerden yapılan beton ve harçların özellikleri

Son kullanım için özel tasarım

EMC'lerden yapılan harç ve betonların performansı özel olarak tasarlanabilir. Örneğin, EMC betonları genel uygulamadan (dayanıklılık ve dayanıklılık için) hızlı ve ultra hızlı sertleşen yüksek dayanımlı betonların üretimine (örneğin, 24 saatte 70 MPa / 10.150 psi'nin üzerinde ve 200 MPa / 29.000'in üzerinde) kadar değişebilir. 28 gün içinde psi). Bu, enerjik olarak modifiye edilmiş çimentoların Yüksek Performanslı Betonlar vermesini sağlar .

EMC beton ve harçların dayanıklılığı

EMC Aktivasyonundan geçen herhangi bir çimento esaslı malzeme, EMC Aktivasyonu ile işlenmiş Portland çimentosu da dahil olmak üzere, dayanıklılığın artmasını sağlayacaktır. Puzolanik EMC'lerle ilgili olarak, puzolanik EMC'lerden yapılan betonlar, Portland çimentosundan yapılan betonlardan daha dayanıklıdır.

Portland çimentosunun EMC aktivasyonu ile işlenmesi, yüksek performanslı betonlar (HPC'ler) verecektir . Bu HPC'ler, işlenmemiş Portland çimentosundan yapılan HPC'lerin aksine yüksek mukavemetli, oldukça dayanıklı olacak ve daha fazla mukavemet gelişimi sergileyecektir. Portland çimentosunun EMC Aktivasyon işlemiyle işlenmesi, genel kabul görmüş yöntemlere göre ölçüldüğü üzere, mukavemet gelişimini yaklaşık %50 oranında artırabilir ve ayrıca dayanıklılığı önemli ölçüde iyileştirebilir.

Tuzlu su saldırısına karşı geliştirilmiş direnç

Sıradan Portland çimentosundan katkı maddesi içermeyen beton, tuzlu sulara karşı nispeten zayıf bir dirence sahiptir. Buna karşılık, EMC'ler , düşük alkali-silika reaktiviteleri (ASR) ile birlikte klorür ve sülfat iyonu saldırısına karşı yüksek direnç gösterir . Örneğin dayanıklılık testleri "Bache yöntemi"ne göre yapılmıştır (şemaya bakınız). 28 günlük kürlemeden sonra sırasıyla 180.3 ve 128,4 MPa (26,150 ve 18,622 psi) basınç dayanımlarına sahip HPC'den yapılan numuneler daha sonra Bache yöntemi kullanılarak test edildi. Numuneler (a) EMC'den (hem EMC Aktivasyonuna tabi tutulmuş Portland çimentosu ve silis dumanından oluşur) hem de (b) Portland çimentosundan yapılmıştır. Elde edilen kütle kaybı, dayanıklılığı belirlemek için çizildi. Karşılaştırma olarak, test sonuçları şunları gösterdi:

• Referans Portland çimentosu betonunun "yüksek mukavemetli beton için Bache'nin kendi gözlemlerine uygun olarak, yaklaşık 16 Bache yöntem döngüsünden sonra tamamen tahribatı" olduğu için;
• EMC yüksek performanslı beton, 80 Bache döngüsünün tüm test süresi boyunca "tutarlı bir yüksek düzeyde dayanıklılık" gösterdi, örneğin "betonda neredeyse hiç ölçeklenme gözlemlenmedi".

Diğer bir deyişle, Portland çimentosunun EMC Aktivasyon işlemiyle işlenmesi, genel kabul görmüş yöntemlere göre ölçüldüğü üzere, mukavemet gelişimini yaklaşık %50 oranında artırabilir ve ayrıca dayanıklılığı önemli ölçüde iyileştirebilir.

EMC Betonlarının Düşük Sızdırılabilirliği

Sızdırılabilirlik testleri LTU tarafından 2001 yılında İsveç'te bir İsveç enerji üretim şirketi adına uçucu külden yapılmış bir EMC'den yapılan beton üzerinde gerçekleştirilmiştir. Bu testler, dökme betonun "çevreyle ilgili tüm metaller" ile ilgili olarak "düşük bir yüzeye özgü sızabilirlik gösterdiğini" doğruladı.  

Volkanik malzemeler gibi Puzolanlar kullanan EMC'ler

Puzolanik EMC'lerin kendi kendini iyileştirme özellikleri

Doğal puzolanik reaksiyonlar, bu malzemeleri içeren harç ve betonların "kendi kendini iyileştirmesine" neden olabilir. EMC Aktivasyon işlemi, bu puzolanik reaksiyonların meydana gelme olasılığını artırabilir. Aynı eğilim , Bizans imparatoru Justinian (şimdi İstanbul , Türkiye ) için inşa edilen Ayasofya'nın çeşitli destekleyici yapılarında da not edilmiş ve incelenmiştir . Orada, çoğu Roma çimentosunda olduğu gibi, depremlerin neden olduğu stres etkilerine karşı artan bir direnç olduğu düşünülen şeyi vermek için yüksek miktarda puzolan içeren harçlar kullanıldı .

Puzolanik malzemelerden yapılan EMC'ler, geliştikçe fotoğraflanabilen " biyomimetik " kendi kendini iyileştirme yetenekleri sergiler (bkz. resim eki).

California Pozzolas kullanan EMC'ler

Portland çimentosunun en az %50'sinin EMC'lerle değiştirilmesiyle yapılan betonlar, yüksek hacimli uygulamalarda tutarlı saha sonuçları vermiştir. Bu aynı zamanda doğal puzolanlardan (örn. volkanik kül) yapılan EMC için de geçerlidir.

Güney Kaliforniya'dan gelen volkanik kül birikintileri bağımsız olarak test edildi; %50 Portland çimentosu değişiminde ortaya çıkan betonlar ilgili ABD standardının gerekliliklerini aştı . 28 günde, basınç dayanımı 4,180 psi / 28,8 MPa ( N /mm²) olmuştur. 56 günlük dayanım, Amerikan Beton Enstitüsü tarafından tavsiye edilen güvenlik marjı dikkate alındığında bile, 4.500 psi (31,1 MPa) beton gerekliliklerini aştı . Bu şekilde yapılan beton işlenebilir ve yeterince güçlüydü, hem 7 gün hem de 28 günde %75 puzolanik aktivite standardını aştı . Betondaki puzolanların yüzey düzgünlüğü de artırılmıştır.

Puzolanik reaksiyonlar üzerindeki etkisi

EMC Aktivasyonu, bir puzolanın puzolanik reaksiyonlar için kimyasal afinitesini artıran bir işlemdir . Bu, işlem görmemiş puzolanlara göre daha yüksek ikame oranlarında ortaya çıkan betonun daha hızlı ve daha fazla mukavemet gelişimine yol açar. Bu dönüştürülmüş (artık oldukça reaktif puzolanlar), tipik olarak bir dizi hidratlı ürünü nihai amaçları olarak gören bilinen puzolanik reaksiyon yollarını kullanarak başka faydalar gösterirler. Bir NMR EMCS ilgili çalışma EMC aktivasyonu neden olduğu sonucuna "ince oluşumu SiO ₂ etrafında tabakalar C3S sırayla, "puzzolanik reaksiyonu hızlandırır ve sulu ürünlerin daha geniş ağları artan teşvik etmektedir", kristaller".

Basit bir ifadeyle, puzolanların betonda kullanılmasıyla, gözenekli (reaktif) Portlandit, sıradan çimento kullanılarak üretilen gözenekli ve yumuşak, nispeten reaktif kalsiyum karbonat yerine sert ve geçirimsiz (nispeten reaktif olmayan) bileşiklere dönüştürülebilir. Puzolanik kimya sergilerler 7.0'dan daha büyük bir sertliğe sahip nihai ürünler çoğu Mohs . Yetenekleri de geliştirilmiş alan uygulama dayanımları katkıda bulunabilir "iyileştirici Öz" mekanik gerilimler mevcut olabilir.

Daha ayrıntılı olarak, puzolanik betonun faydaları, betonda (EMC'li betonlar dahil), Portland çimentosunun su ile birleşerek, mekanizmaları henüz tam olarak oluşmamış olan karmaşık bir dizi kimyasal reaksiyon yoluyla taş benzeri bir malzeme ürettiği anlayışıyla başlar. anlaşıldı. Mineral hidrasyon adı verilen bu kimyasal süreç, betonda iki çimentolayıcı bileşik oluşturur: kalsiyum silikat hidrat (CSH) ve kalsiyum hidroksit (Ca(OH) ₂ ). Bu reaksiyon aşağıdaki gibi üç şekilde not edilebilir:

• Standart gösterim:  ${\displaystyle {\ce {Ca3SiO5 + H2O -> (CaO) * (SiO2) * (H2O) + Ca(OH)2}}}$

• Dengeli:  ${\displaystyle {\ce {2Ca3SiO5 + 7H2O -> 3CaO * 2SiO2 * 4H2O + 3Ca(OH)2}}}$

• Çimento kimyager notasyonu (tireleme değişken stokiyometriyi belirtir ): C ₃ S + H → CSH + CH

Altta yatan hidrasyon reaksiyonu iki ürün oluşturur:

1. Betona mukavemetini ve boyutsal kararlılığını veren kalsiyum silikat hidrat (CSH). Çimento hamurundaki CSH'nin kristal yapısı henüz tam olarak çözülmemiştir ve nanoyapısı üzerinde hala devam eden tartışmalar vardır .
2. Beton kimyasında Portlandit olarak da bilinen kalsiyum hidroksit (Ca(OH) ₂ ) . Kalsiyum silikat hidrat ile karşılaştırıldığında, Portlandit nispeten gözenekli , geçirgen ve yumuşaktır ( Mohs ölçeğinde 2 ila 3 ). Bu da sectile esnek ile yarılma pullar. Portlandit, betonun asidik saldırıya karşı direncini tehlikeye atabilecek alkali bir çözelti elde etmek için suda çözünür.

Portlandit, puzolanik çimentolu malzemeler içermeyen Portland çimentosu ile yapılan betonun yaklaşık %25'ini oluşturur. Beton tipinde, karbon dioksit, yavaş yavaş çözünür içine portlandit dönüştürmek için emilir , kalsiyum karbonat (CaCOs ₃ adı verilen bir işlem olarak), karbonatlama :

${\displaystyle {\ce {Ca(OH)2 + CO2 -> CaCO3 + H2O}}}$

Mineral formda, kalsiyum karbonat, nasıl oluştuğuna bağlı olarak geniş bir sertlik aralığı sergileyebilir. En yumuşak haliyle, kalsiyum karbonat betonda tebeşir olarak oluşabilir ( Mohs ölçeğinde 1.0 sertlikte ). Portlandit gibi, mineral formundaki kalsiyum karbonat da gözenekli, geçirgen olabilir ve asit saldırısına karşı zayıf bir dirence sahip olabilir, bu da onun karbondioksit salmasına neden olur.

Bununla birlikte, EMC'ler de dahil olmak üzere puzolanik betonlar, hidratasyon işlemi devam ederken yumuşak ve gözenekli Portlanditi tüketmeye devam eder ve onu kalsiyum karbonat yerine kalsiyum silikat hidrat (CSH) olarak ek sertleştirilmiş betona dönüştürür . Bu, daha yoğun, daha az geçirgen ve daha dayanıklı bir beton ile sonuçlanır. Bu reaksiyon, Portlandit ve silisik asit (H ₄ SiO ₄ ) arasında aşağıdaki gibi gösterilebilen bir asit-baz reaksiyonudur :

${\displaystyle {\ce {Ca(OH)2 + H4SiO4 -> Ca^2+ + H2SiO4^2- + 2H2O -> CaH2SiO4 * 2H2O}}}$ 

Ayrıca, birçok puzolan , Portlandit ve su ile reaksiyona girerek aşağıdakileri oluşturacak alüminat (Al(OH) ₄ ⁻ ) içerir:

• örneğin kalsiyum alüminyum lal taşı, kalsiyum alüminat hidratları, ( hydrogrossular C ₄ AH ₁₃ ya da Cı- ₃ AH ₆ çimento kimyager gösterimde, 7.5 'sertlik 7.0 Mohs ); veya
• silika ile kombinasyon halinde, strätlingite (Ca oluşturmak üzere ₂ Al ₂ SiO ₇ · 8H ₂ , O ya da Cı- ₂ ASH ₈ çimento kimyager gösterimde), jeolojik olarak oluşturabilen ksenolitler içinde bazalt olarak başkalaşım kireçtaşı .

Puzolanik çimento kimyası (yüksek alüminatlı çimento kimyası ile birlikte) karmaşıktır ve başlı başına yukarıdaki yollarla kısıtlanmaz. Örneğin, strätlingite, betonun mukavemetine katkıda bulunabilecek aşağıdaki denklem dahil olmak üzere çeşitli şekillerde oluşturulabilir:

C ₂ AH ₈   + 2CSH + AH ₃   + 3H → C ₂ ASH ₈     (çimento kimyager notasyonu)

Bir betonun kimyasında puzolanların rolü tam olarak anlaşılmamıştır. Örneğin, strätlingite, yüksek sıcaklık ve su içerikli bir ortamda (betonun erken kürlenme aşamalarında oluşturulabilen) kendi başına kararlı kalsiyum alüminyum granat oluşturabilen yarı kararlıdır (yukarıdaki ilk madde maddesine bakın). Bu, aşağıdaki denkleme göre temsil edilebilir:

3C ₂ AH ₈     → 2C ₃ AH ₆   + AH ₃   + 9H (çimento kimyager notasyonu)

İlk maddeye göre, kalsiyum alüminyum granatın dahil edilmesi başlı başına sorun teşkil etmese de, bunun yerine yukarıdaki yoldan üretilirse, betonda mikro çatlaklar ve dayanım kaybı meydana gelebilir. Ancak beton karışımına yüksek reaktiviteli puzolanların eklenmesi böyle bir dönüşüm reaksiyonunu engeller. Özetle, puzolanlar sertleştirilmiş malzemeler oluşturmak için bir dizi kimyasal yol sağlarken, yüksek fırın cürufu (GGBFS) gibi "yüksek reaktiviteli" puzolanlar da belirli yolları stabilize edebilir. Bu bağlamda, uçucu külden yapılan EMC'lerin, ABD standardı ASTM C989'a göre "120 Cüruf" (yani GGBFS) içeren betonlarla aynı özellikleri karşılayan betonlar ürettiği gösterilmiştir.

Portlandit, düşük sıcaklıklara, nemli koşullara ve yoğuşmaya maruz kaldığında sülfat iyonlarıyla reaksiyona girerek çiçeklenmeye neden olabilir ; puzolanik kimya, çiçeklenmeyi azaltmak için mevcut Portlandit miktarını azaltır.

EMC Aktivasyonu

EMC Aktivasyonu'nun amacı, işlenen materyalin kristal yapısında temel bir tahribata yol açarak onu amorf hale getirmektir . Bu değişiklik işlenen malzemenin kimyasal reaktivitesini artırsa da, EMC Aktivasyon işlemi sırasında herhangi bir kimyasal reaksiyona neden olmaz .

Mekanokimyanın kendisi, "mekanik enerjinin etkisiyle üretilen tüm kümelenme durumlarındaki maddelerin kimyasal ve fiziko-kimyasal dönüşümü" ile ilgilenen bir kimya dalı olarak tanımlanabilir. IUPAC , mekanokimya teriminin standart bir tanımını taşımamaktadır , bunun yerine bir "mekanokimyasal reaksiyonu ", "mekanik enerjinin doğrudan emilmesiyle indüklenen" bir kimyasal reaksiyon olarak tanımlarken , "kesme, gerdirme ve öğütme, mekanik-kimyasal için tipik yöntemlerdir. reaktif sitelerin nesil".

Daha dar bir ifadeyle, "mekanik aktivasyon" ilk olarak 1942'de " kimyasal olarak değişmeden kalan bir maddenin reaksiyon kabiliyetinde bir artış içeren" bir süreç olarak tanımlanan bir terimdi . Daha da dar anlamıyla, EMC Aktivasyonu, yüksek enerjili bilyalı öğütmenin (HEBM) çimentolu malzemelere uygulanmasıyla sınırlı, özel bir mekanik aktivasyon şeklidir. Bundan daha dar bir anlamda, EMC Aktivasyon titreşimli frezelemeyi kullanır ve o zaman bile yalnızca kendi taşlama ortamını kullanarak .

Termodinamik Gerekçe

Daha özel olarak, HEBM, kimyasal potansiyel enerjisini artırarak bir malzemenin kimyasal reaktivitesini arttırmak olarak tanımlanabilir . EMC Aktivasyonunda aktarılan mekanik enerji, malzemenin kristal yapısının bozulmasından kaynaklanan kafes kusurları olarak malzemede depolanır. Bu nedenle, süreç katı maddeleri termodinamik ve yapısal olarak daha kararsız durumlara dönüştürerek artan reaktivitenin Gibbs enerjisindeki bir artış olarak açıklanmasına izin verir:

${\displaystyle \Delta G=G_{T}^{*}-G_{T}}$  burada sıcaklık için terimler ve terimleri işlenmiş ve işlenmemiş malzemedeki ilgili Gibbs değerleridir.${\görüntüleme stili T}$${\ Displaystyle G_{T}^{*}}$${\ Displaystyle G_{T}}$

En basit haliyle, HEBM, bir malzemenin reaktivitesini arttırmak için kristal bağların yok edilmesine neden olur. Termodinamik perspektiften, sonraki herhangi bir kimyasal reaksiyon, hem daha düşük bir kimyasal enerji hem de daha kararlı bir fiziksel yapı içeren yeni bileşenler üretmek için aktifleştirilmiş materyaldeki (yani bir reaktan olarak) fazla enerji seviyesini azaltabilir. Tersine, önceden işlenmiş malzemeyi daha reaktif bir fiziksel duruma dönüştürmek için, HEBM işlemi sırasındaki düzensizleştirme işlemi , kısmen bir hacim artışı (kütle azalması) sağlayan bir kristalleşmeye (ve dolayısıyla bir entropi artışına) eşdeğer olarak haklı gösterilebilir . yoğunluk). Bazen "gevşeme" olarak adlandırılan ters bir süreç, hemen hemen (10 ⁻⁷ ila 10 ⁻³ saniye) veya çok daha uzun (örn . ¹⁰⁶ saniye) olabilir. Nihayetinde, genel olarak tutulan herhangi bir termodinamik etki, bu tür herhangi bir ters işlemin kendi başına ideal bir termodinamik son duruma ulaşamayacağı temelinde haklı çıkarılabilir . Sonuç olarak, minerallerin mekanik aktivasyonu sırasında, ters "gevşeme" süreçleri, oluşan Gibbs serbest enerjisini tamamen azaltamaz. Bu nedenle, oluşturulan kristal kafes kusurlarında depolanan malzemede enerji kalır .

HEBM'nin Net Termodinamik Etkisi

Genel olarak, HEBM net bir termodinamik etki sağlar:

• Yapısal düzensizlik hem entropi hem de entalpi artışı anlamına gelir ve böylece termodinamik modifikasyonlara göre kristal özelliklerini uyarır. Aktifleştirilmiş ürünün aşırı entalpisinin sadece küçük bir kısmı (yaklaşık %10) yüzey alanı genişlemesi olarak açıklanabilir.
• Bunun yerine, aşırı entalpi ve değiştirilmiş özelliklerin ana kısmı, çoğunlukla malzemenin kafesindeki termodinamik olarak kararsız durumların gelişimine atanabilir (parçacık boyutunda bir azalma olarak değil).
• Etkinleştirilen sistem kararsız olduğundan, etkinleştirme süreci tersine çevrilebilir; bu da sistemin devre dışı kalmasına, yeniden kristalleşmesine, entropi kaybına ve sistemin enerji çıkışına neden olur. Bu ters ("gevşeme") işlemi termodinamik bir dengeye devam eder, ancak nihai olarak hiçbir zaman ideal bir yapıya (yani hatasız bir yapıya) ulaşamaz.
• Gibbs-Helmholtz denklemine göre , aktif ve aktif olmayan katı hal arasındaki Gibbs serbest enerjisinin temsil edilebildiği , entalpideki böyle bir "aktivasyon" işleminin daha eksiksiz bir açıklaması :

${\displaystyle \Delta G=\Delta HT\Delta S}$   burada , entalpideki değişim ve entropideki değişimdir.${\görüntüleme stili\Delta H}$${\görüntüleme stili\Delta S}$

Ortaya Çıkan Kristal Bozukluk

Kristal düzensizliğinin düşük olduğu yerde , çok küçüktür (ihmal edilebilir değilse). Buna karşılık, yüksek derecede deforme olmuş ve düzensiz kristallerde, değerlerinin işlenmiş Gibbs serbest enerjisi üzerinde önemli bir etkisi olabilir. Aktivasyon işlemi sırasında meydana gelen sürtünme vb. nedeniyle işlem sırasında üretilen ısıyı bir kenara bırakırsak, aktifleştirilmiş malzemede tutulan fazla Gibbs serbest enerjisinin, ( ) spesifik yüzey alanındaki bir artış ; ve ( ) kusur yapısı. EMC Aktivasyonu gibi başarılı HEBM süreçlerinde: ${\görüntüleme stili\Delta S}$${\görüntüleme stili\Delta S}$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$

• ( ) ile ilgili olarak, bu tür aktifleştirilmiş bir ürünün fazla enerjisinin sadece yaklaşık %10'u yüzey alanındaki bir değişiklik olarak açıklanabilir.${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$
• ( ) ile ilgili olarak, verilen enerjinin neredeyse tamamı işlenen malzemedeki gerçek yapısal kusurlarda bulunur.${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$

EMC Aktivasyonu için bir yaklaşım

( )'nin yüksek değerine kıyasla ( )' nin nispeten düşük değeri, HEBM'yi genel öğütme veya "öğütme"den (burada tek amacın işlenen malzemelerin yüzey alanını artırmak olduğu durumlarda) daha da ayırt etmesine hizmet eder, böylece bir işlenen malzemenin elastik enerji biçimindeki entropi değişiminin açıklaması ("gevşemesi" yıllar alabilen kafes kusurlarında depolanır), bu "aşırı Gibbs enerjisinin ve entalpisinin kaynağı"dır. Entalpi ile ilgili olarak, böyle bir aktivasyon işlemi sırasında toplam değişime ilişkin bir genel bakış sağlamak için dört tanımlayıcı türetilebilir:${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili S}$${\görüntüleme stili H}$

${\displaystyle \Delta H_{T}=\Delta H_{d}+\Delta H_{S}+\Delta H_{A}+\Delta H_{p}}$  nerede :

• ${\displaystyle \Delta H_{d}}$dislokasyon yoğunluğunun   bir ölçüsüdür ;
• ${\displaystyle \Delta H_{p}}$  yeni fazların bir ölçüsüdür (polimorfik dönüşüm);
• ${\displaystyle \Delta H_{A}}$  amorf malzeme oluşumunun bir ölçüsüdür;
• ${\displaystyle \Delta H_{S}}$  özgül yüzey alanının bir ölçüsüdür.

EMC Aktivasyon işlemi sırasında yapılan işin çoğunluğu yukarıdaki ( ) yönüne gittiği için  önemsizdir. Bu nedenle, entalpideki değişimin ana fonksiyonları şuna yakındır:${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\görüntüleme stili \mathrm {I} }$${\displaystyle \Delta H_{S}}$

${\displaystyle \Delta H_{EMC}\yaklaşık \Delta H_{d}+\Delta H_{A}+\Delta H_{p}}$

EMC Aktivasyonunda, yukarıda belirtilen terimler ve gözlemlenen fiziksel yapıdaki değişikliklerin doğası nedeniyle özellikle belirgin olarak görülmektedir. Bu nedenle, EMC Aktivasyonu sırasında meydana gelen entalpi değişikliği yaklaşık olarak şu şekilde hesaplanabilir: ${\displaystyle \Delta H_{d}}$${\displaystyle \Delta H_{A}}$${\görüntüleme stili H}$

${\displaystyle \Delta H_{EMC}\thickyaklaşık \Delta H_{d}+\Delta H_{A}}$      yani,   ${\displaystyle \Delta H_{EMC}\thickabout (\rho M_{V}){\frac {b^{2}\mu _{s}}{4\pi }}\ln \left({\frac { 2(\rho )^{1/2}}{b}}\sağ)+C_{A}E_{A}}$

nerede :

• ${\ Displaystyle M_{V}}$, , ve sırasıyla malzemenin molar hacmine , Burgers vektörüne , kesme modülüne ve dislokasyon yoğunluğuna karşılık gelir ;${\görüntüleme stili b}$${\görüntüleme stili \mu _{s}}$${\görüntüleme stili \rho }$
• ${\ Displaystyle C_{A}}$ve sırasıyla amorf fazın konsantrasyonu ve molar amorfizasyon enerjisidir.${\displaystyle E_{A}}$

Düşük sıcaklık reaktivitesi

Yukarıdaki termodinamik yapıdan, EMC Aktivasyonu, büyük ve aynı zamanda büyük bir artış olarak haklı gösterilebilecek oldukça amorf bir faz ile sonuçlanır . EMC Aktivasyonunun büyük olmasının faydaları, bir EMC'nin reaktivitesinin sıcaklığa daha az bağımlı olduğu anlamına gelir. Herhangi bir reaksiyonun termodinamik ivmesi açısından, bir reaktantın geneli bağımlı değildir , yani HEBM'den geçen bir materyal, karşılık gelen bir yükselme ile daha düşük bir sıcaklıkta reaksiyona girebilir ("aktive edilmiş" reaktan sıcaklığa bağlı fonksiyona daha az bağımlı hale geldiğinden). ilerlemesi için). Bundan başka, bir EMC reaksiyonu "ince oluşumu ile son derece küçük ölçeklerde fiziksel mekanizmalarını sergileyebilir SiO ₂ katmanları", bir tepkimenin yol-ile yardım EMC Aktivasyon olumlu reaksiyon sitelerinin oranını artırdığını öneri. Başka yerlerde yapılan araştırmalar, HEBM'nin sonraki bir reaksiyonun ilerlemesi için gereken sıcaklığı önemli ölçüde düşürebildiğini (üç kat azalmaya kadar) belirlemiştir, bu sayede genel reaksiyon dinamiğinin önemli bir bileşeni, sergilemek üzere bir "nanokristalin veya amorf fazda" başlatılır. Bir kimyasal reaksiyonun meydana gelmesine neden olmak için gereken "görünen aktivasyon enerjisinin olağandışı düşük veya hatta negatif değerleri". ${\displaystyle \Delta H_{A}}$${\displaystyle \Delta H_{d}}$${\görüntüleme stili H}$${\görüntüleme stili H}$${\görüntüleme stili T}$${\görüntüleme stili H}$${\görüntüleme stili T\Delta S}$

Genel olarak, EMC'ler bir kimyasal yolun ileriye doğru ilerlemesi için muhtemelen daha az sıcaklığa bağlıdır (yukarıdaki Puzolanik reaksiyonlar bölümüne bakınız), bu da EMC'lerin düşük kutup sıcaklıklarında bile neden kendi kendini iyileştirme yararları sağladığını açıklayabilir .

Fiziksel Gerekçe (Amorfizasyon)

'deki büyük değişiklikler , özellikle sonuç değerlerinde ve EMC Aktivasyonunun etkinliğine ilişkin bir fikir sağlar. Yüksek basınç koşullarında kristalli malzemenin amorfizasyonu "oldukça olağandışı bir fenomendir", çünkü "çoğu malzeme aslında yüksek basınç koşullarında amorftan kristale dönüşmeyi deneyimler". Amorfizasyon, nispeten yüksek bir Gibbs serbest enerjisi içeren, bir malzemenin kafes elemanının oldukça bozulmuş bir "periyodikliğini" temsil eder. Gerçekten de, amorfizasyon yarı erimiş bir duruma benzetilebilir . ${\görüntüleme stili\Delta G}$${\displaystyle \Delta H_{A}}$${\displaystyle \Delta H_{d}}$

Tümü, diğer HEBM süreçleriyle ortak olarak, EMC Aktivasyonu, işlenen malzemenin nano ölçeğinde meydana gelen aşırı şiddetli ve yıkıcı faktörler nedeniyle kristal yıkıma neden olur. Kısa süreli ve yüksek odaklı olmasına rağmen, süreçler yüksek bir frekansta tekrarlanır: bu nedenle bu faktörlerin, gerekli faz değişikliğine neden olmak için Dünya'nın derinliklerinde bulunan basınçları ve sıcaklıkları taklit ettiği düşünülmektedir. Örneğin, Peter Thiessen , malzemede elektronların ve fotonların birlikte fırlatılmasıyla karakterize edilen anlık bir uyarılmış plazma durumunu indüklemek için çeşitli çarpma noktalarında üretilebilen lokalize sıcaklıkların (10 ³ Kelvin'den yüksek) olduğunu varsayan magma-plazma modelini geliştirdi. uyarılmış parçaların oluşumu ile (yukarıdaki şemaya bakınız). Kendisi EMC Aktivasyonunun önemli bir bileşeni olan lokalize çatlak oluşumundan toplanan deneysel veriler, bu bölgedeki sıcaklıkları 1975 kadar uzun bir süre önce doğrulamıştır.

Titreşimli Bilyalı Değirmenler (VBM'ler)

EMC aktivasyonu için kullanılan HEBM yöntemi, titreşimli bilyalı değirmendir (VBM). Bir VBM, kapalı bir odayı dakikada yüzlerce devire kadar titretmek için dikey bir eksantrik tahrik mekanizması kullanır. Hazne, öğütme ortamı adı verilen özel nesnelerle birlikte işlenen malzeme ile doldurulur . En basit biçimlerinde, bu tür ortamlar özel seramiklerden yapılmış basit toplar olabilir . Pratik açıdan, EMC Aktivasyonu, gerekli mekanokimyasal dönüşümü elde etmek için farklı boyutlarda, şekillerde ve kompozitlerde bir dizi öğütme ortamı kullanır.

Bir VBM'nin, döner bilyalı değirmenin hızının 20 ila 30 katı oranında öğüteceği öne sürülmüştür, bu da bir VBM'nin mekanizmasının özellikle açgözlü olduğunu yansıtmaktadır.

VBM Kinetiği

Basit bir ifadeyle, bir VBM'de iki özdeş çarpışan top arasında etki eden sıkıştırma kuvveti şu şekilde ifade edilebilir:${\görüntüleme stili F}$

${\displaystyle F=\left[\left({\frac {5m}{8}}\sağ)^{3/5}\left({\frac {2r}{9\pi ^{2}k^{ 2}}}\sağ)^{1/5}\sağ]v^{6/5}}$     nerede, ${\displaystyle k={\frac {1-v^{2}}{\pi E}}}$

burada, her iki topları, kütlesidir yarıçapı, etki mutlak hız ve Young modülü topları malzeme elde edildi.${\görüntüleme stili m}$${\görüntüleme stili r}$${\görüntüleme stili v}$${\görüntüleme stili E}$

Görüldüğü gibi, çarpma hızındaki bir artış artar . Öğütme ortamının boyutu ve kütlesi de katkıda bulunur. bireyin payda terimi birleştirir öğütme ortamı için kullanılan malzemenin doğası önemli faktörü (yani sonuçta karesi olduğu negatif bir değer üzerinde etkisi olmaz, böylece). Daha temel olarak, hızlı titreşim nedeniyle öğütme ortamına yüksek bir ivme kazandırılır, bunun üzerine yük üzerindeki sürekli, kısa, keskin darbeler hızlı parçacık boyutu küçülmesine neden olur. Ek olarak, yüksek basınçlar ve kesme gerilmeleri , hem çarpma noktasında hem de darbenin kendisinden bile daha büyük basınçlar verebilen şok dalgalarının iletimi sırasında amorf bir duruma gerekli faz geçişini kolaylaştırır. ${\görüntüleme stili F}$${\görüntüleme stili F}$${\görüntüleme stili k}$${\görüntüleme stili E}$${\görüntüleme stili k}$${\görüntüleme stili F}$

Örneğin, bir iki-top çarpışma temas süresi 3.3 kadar bir basınç üretilmiştir 20μs olduğu kadar kısa olabilir GPa yukarıya ve 20 bağlantılı bir ortam sıcaklığı artışı ile Kelvin . Darbenin kısa süresi nedeniyle, momentumdaki değişim oranı önemlidir - yalnızca 1-100μs süreli bir şok dalgası oluşturur, ancak bununla bağlantılı olarak 10 GPa yukarı doğru bir basınç ve yüksek düzeyde lokalize ve odaksal bir sıcaklık (yani nano ölçekte) ) birkaç bin derece Kelvin'e kadar. Bunu bağlam içine yerleştirmek için, 10GPa'lık bir basınç, yaklaşık 1.000 kilometre deniz suyuna eşittir. Bir başka örnek olarak, hız 1 metre 2.5 cm çapında iki özdeş çelik topları etki / s bir çarpışmanın üretecektir enerji yoğunluğu üzerinde 10 arasında ⁹ jul / m ² alümina aynı 2.5 cm çaplı bilyalar ve 1 hızı ile, m/s daha da büyük bir enerji yoğunluğu üretir. Çarpışmalar çok kısa bir zaman ölçeğinde meydana gelir ve bu nedenle "nispeten küçük temas alanı üzerindeki enerji salınımı oranı çok yüksek olabilir".

Ayrıca bakınız

EMC Aktivasyonu için arka plan bilimi:

Akademik:

Portallar Erişim ile ilgili konulara

Mühendislik portalı

Notlar

Referanslar

Dış bağlantılar

• EMC Cement , İsveç için resmi web sitesi – lowcarboncement.com adresinde
• Luleå Teknoloji Üniversitesi , İsveç – LTU.se'de
• Geleceğin Altyapı Forumu , Cambridge Üniversitesi, Birleşik Krallık – Fif.construction.cam.ac.uk adresinde
• ABD Jeolojik Araştırması (USGS) Çimento İstatistikleri ve Bilgileri  – Minerals.usgs.gov adresinde
• ABD Çevre Koruma Ajansı (EPA), Portland Çimento Endüstrisi için Kural Bilgileri  – EPA.gov adresinde
• Amerikan Beton Enstitüsü  – Concrete.org'da
• EDGAR – Küresel Atmosfer Araştırmaları için Emisyon Veritabanı  – Edgar.jrc.ec.europa.eu adresinde
• Vitruvious: Çevrimiçi Mimarlık Üzerine On Kitap : çapraz bağlantılı Latince metin ve İngilizce çeviri
• WBCSD Çimento Sürdürülebilirlik Girişimi  – Wbcsdcement.org'da