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Usi di Cenere Vulcanica–Presente e Potenziale
In passato e fino a poco tempo fa la usi principali di cenere vulcanica sono stati basati sulle sue proprietà fisiche di buona taglia e spigolosità di particelle, friabilità, e di colore chiaro, come illustrato nel suo uso come abrasivo e come condimento per i bituminoso matt strade., Negli ultimi anni è stata data sempre maggiore attenzione alle proprietà chimiche o pirochimiche della cenere vulcanica come flusso di silicato di alluminio alcalino in ceramica e come additivo pozzolanico per cemento in miscele di calcestruzzo. Negli Stati Uniti nel 1934 la quantità impiegata per l’uso negli abrasivi era otto volte superiore a quella utilizzata come aggregato cementizio e additivo pozzolanico. Nel 1945 le quantità impiegate in questi due impieghi principali erano quasi uguali. Nel 1947 la quantità utilizzata con il cemento era quattro volte e mezzo più grande di quella utilizzata per scopi abrasivi (Barr, 1949)., L’uso più esteso di pumicite o cenere vulcanica nel calcestruzzo è stato sulla costa occidentale. Solo piccole quantità sono state utilizzate in Kansas per questo scopo, e il tonnellaggio non appare nelle statistiche sulla produzione Kansas. Poiché la produzione commerciale in Kansas è in gran parte per usi abrasivi, la quantità utilizzata per questi scopi è chiaramente indicata nelle statistiche pubblicate. Le prime cifre disponibili sulla produzione Kansas sono per l’anno 1916 quando 23.804 tonnellate è stato prodotto. Il picco di produzione fu raggiunto nel 1923 con un totale di 51.907 tonnellate e dal 1923 al 1940 fu abbastanza costante., La produzione dichiarata variava da 35.385 tonnellate nel 1925 a 49.760 tonnellate nel 1929, e la produzione media per il periodo di 17 anni era di 41.953 tonnellate. Dopo un anno quasi medio di 39.215 tonnellate nel 1940, la produzione del 1941 scese a 23.659 tonnellate, ma nel 1945 si era ripresa a 47.484 tonnellate exceeding superando la media precedente di 17 anni. Dal 1945 la produzione è diminuita drasticamente. Come detto in precedenza, queste statistiche sulla produzione sono disponibili solo sulla produzione commerciale ed è probabile che il tonnellaggio utilizzato dal Dipartimento delle autostrade dello Stato superi sostanzialmente quello estratto dai produttori commerciali., In un solo deposito stimiamo che almeno 25.000 tonnellate siano state rimosse dal Dipartimento autostradale per l’uso su strade nere.
Abrasivi
La cenere vulcanica è stata utilizzata come abrasivo negli Stati Uniti per circa 50 anni. Nel 1903 l’intera produzione di 885 tonnellate in questo paese proveniva dal Nebraska. Nel 1911 la cenere vulcanica fu segnalata dal Servizio geologico degli Stati Uniti come estratta in Kansas, ma le cifre sulla produzione furono nascoste sotto il titolo di articoli vari. Nel 1916 fu data una cifra di 23.804 tonnellate per il Kansas. Senza dubbio la maggior parte di questo tonnellaggio è stato utilizzato in abrasivi.,
Come cenere vulcanica abrasiva è adatto per l’uso come lucidante, purga e detergente a causa della sua finezza, spigolosità e durezza moderata (da 5,5 a 6,0 su scala Mohs). Una grande percentuale di cenere vulcanica utilizzata come abrasivo è andata in composti abrasivi come il vecchio detergente olandese. Precedentemente questi composti erano composti in gran parte di cenere vulcanica mescolata con piccole quantità di polvere di sapone o altri detergenti. La cenere vulcanica è anche usata come abrasivo in sapone di pasta meccanica, saponi abrasivi per le mani e gomme di gomma., La cenere molto fine viene utilizzata in alcuni dentifricio e polvere e la cenere meno-200-mesh è stata utilizzata per lucidare il vetro della lastra. La cenere vulcanica potrebbe essere utilizzata al posto della pomice in polvere ogni volta che quest’ultimo materiale è adatto. Questi usi includono la lucidatura di metalli, legno e finiture in legno verniciato. Altri usi abrasivi includono polveri lucidanti per osso, celluloide e gomma dura e nel nastro per dentisti.
La lavorazione della cenere vulcanica per usi abrasivi comprende comunemente solo l’essiccazione e lo screening di particelle grossolane, aggregati di particelle e contaminanti incidentali., Questa pratica è possibile a causa della naturale finezza del materiale. Le analisi dello schermo su 96 campioni (Tabella 4) mostrano che una media del 93,6% supera uno schermo da 100 mesh e che una media del 76,3% supera uno schermo da 200 mesh. Il materiale Minus-200-mesh costituisce oltre l ‘ 80% in 34 dei 96 campioni. Le analisi subsieve su 12 campioni (Tabella 3) indicano che il diametro mediano delle particelle è in media di 34 micron, che equivale a meno di 400 mesh. La classificazione dell’aria viene utilizzata in alcuni casi, in particolare quando sono richiesti gradi di 200 mesh o più fini., Sebbene la cenere vulcanica sia raramente sottoposta a macinazione per ridurre la dimensione delle particelle, è facilmente suscettibile alla macinazione a secco in un mulino a sfere o a ciottoli.
Ceramica
La cenere vulcanica, o pumicite, è composta da frammenti minuti di vetro vulcanico corrispondenti approssimativamente a una fritta composta da feldspato e quarzo. È sorprendente che un materiale con questa composizione abbia ricevuto così poca attenzione da parte dei lavoratori nel campo della ceramica., Il laboratorio di ceramica dello State Geological Survey eseguì una serie di test durante il 1937 e il 1938 usando ceneri vulcaniche in smalti e corpi ceramici, e il lavoro fu riassunto brevemente da Plummer (1939). Prima di questo tempo l’unico lavoro fatto sugli usi ceramici della cenere vulcanica negli Stati Uniti è stato riportato da Preston (1935) sull’uso della cenere vulcanica in lotti di vetro. Dopo la pubblicazione del rapporto del 1939 di Plummer, la nostra attenzione fu richiamata sul fatto che un lavoro simile era stato pubblicato nel Journal of the Canadian Ceramic Society di Worcester (1934)., Worcester utilizzato cenere vulcanica canadese in corpi ceramici e smalti con risultati in qualche modo simili a quelli ottenuti con Kansas ash nel laboratorio di indagine. Ulteriori esperimenti con smalti di cenere vulcanica del Kansas furono riportati brevemente da Carey (1948). Negli ultimi tre anni sono stati eseguiti numerosi test su smalti di cenere vulcanica e corpi ceramici. I risultati saranno pubblicati in un bollettino geologico in un secondo momento.
La cenere vulcanica del Kansas si fonde a una temperatura inferiore rispetto al feldspato., Il cono pirometrico equivalente di feldspati varia da cono 4 a cono 10, con una media generale di cono 8 a 9 (2240° a 2280° F.). I campioni di cenere vulcanica del Kansas testati hanno un cono pirometrico equivalente che va dal cono 06 al cono 4, con una media generale nelle vicinanze del cono 03 a 01 (1975° a 2030° F.). Questa differenza di temperatura di fusione conferisce alla cenere vulcanica un netto vantaggio economico, e nel campo dell’arte ceramica consente l’uso delle temperature più basse considerate desiderabili.,
Smalti ceramici
La composizione chimica delle ceneri vulcaniche del Kansas dai vari depositi è notevolmente uniforme, come si può osservare dalle analisi di 54 campioni riportate nella Tabella 2. È probabile che le variazioni riscontrate siano dovute in gran parte a contaminanti come quarzo, calcite e argilla.
La cenere vulcanica proveniente da un deposito nella contea di Lincoln (LV-1) è stata ampiamente utilizzata nei test di smalto e ceramica perché è facilmente disponibile e ha una composizione chimica che è approssimativamente una media dei depositi di cenere del Kansas. La composizione di questa cenere è riportata di seguito.,
The molecular formula, or ratio of the molecular weights of the various groups of oxides in this volcanic ash, is as follows.
| K2O | 0.6608 |  |
Al2O3 | 0.8999 | |
SiO2 | 9.5894 |
| Na2O | 0.2296 | |
Fe2O3 | 0.0604 | |
TiO2 | 0.0540 |
| CaO | 0.,0961 | |
|
||||
| MgO | 0.0135 | |
|
The formula weight of the above is 794.30. Feldspar from Keystone, South Dakota, has the following molecular formula.
| K2O | 0.751 | |
Al2O3 | 1.,1300 | |
SiO2 | 6.230 |
| Na2O | 0.231 | |
Fe2O3 | 0.0015 | |
||
| CaO | 0.018 | |
|
The formula weight of this feldspar is 577.72., A causa del fatto che la cenere vulcanica ha un rapporto più elevato tra silice e allumina e il gruppo RO, non è possibile sostituire un peso uguale di cenere vulcanica per il feldspato. Circa 100 parti in peso di cenere vulcanica possono essere sostituiti per 70 parti feldspato e 30 parti ceramisti flint. Un metodo di sostituzione più preciso è riportato nella tabella 5. Questa tabella si basa su rapporti molecolari di ossidi in entrambi i materiali e richiede l’estrazione di feldspato, selce e merlano e l’aggiunta di cenere vulcanica e argilla a sfera.
Tabella 5.,– Cenere vulcanica e argilla necessaria per una sostituzione esatta di feldspato, selce e merlano in smalti o corpi ceramici. Parti per cento in totale smalto lotto, in peso.
I calcoli sono stati fatti per Keystone feldspato, Lincoln County volcanic ash (LV-1), e un Kansas ball clay (O-38-4) contenente 64,67 per cento di silice, 22,38 per cento di allumina, 1,58 per cento di ossido di ferro, 1,32 per cento di ossido di titanio, 0,27 per cento di ossido di calcio, 0,66 per Qualsiasi argilla palla simile potrebbe essere utilizzato., Si noterà che se un totale di 100 per cento feldspato, selce, e merlano sono stati presi da una glassa o corpo un totale di 103,38 per cento cenere vulcanica e argilla sarebbe stato aggiunto come una sostituzione. Ciò è dovuto al fatto che la cenere e l’argilla contengono una percentuale più elevata di ingredienti inattivi. Sebbene percentuali così elevate di feldspato o cenere vulcanica non siano utilizzate negli smalti e nei corpi ceramici, abbiamo preparato uno smalto utilizzabile contenente il 95% di cenere vulcanica., Normalmente, tuttavia, la percentuale di cenere inclusa in un lotto di smalto non supererà il 75% e nella maggior parte dei casi i corpi ceramici non vengono migliorati con aggiunte di oltre il 25% di cenere vulcanica.
Alcuni smalti di cenere vulcanica di comprovato valore sono riportati di seguito come illustrazione della gamma di composizioni possibili. La seguente glassa matura nell’intervallo del cono 02-1.
Lo smalto di cui sopra è stato utilizzato con il 5 per cento commerciale macchia gialla per produrre una buona tonalità di giallo. Senza la macchia viene prodotta una glassa opaca.,
Uno smalto molto semplice nell’intervallo da cono 04 a cono 10 ha la seguente composizione.
| cenere Vulcanica | 70 parti in peso |
| Colemanite | 30 parti in peso |
| Bentonite | 5 parti in peso |
Questo smalto ha una piuttosto fangoso colore a causa del contenuto di ossido di ferro di cenere vulcanica. L’aggiunta del 5% di merlano migliorerà la trasparenza dello smalto., Se lo smalto deve essere utilizzato come base per smalti colorati l’aggiunta di 5 per cento di un opacizzante come silicato di zirconio produrrà un bianco caldo adatto a questo scopo.
Di seguito è riportata una glassa di piombo grezzo che è stata utilizzata con grande successo su un certo numero di tipi di corpi all’interno dell’intervallo di temperatura dal cono 07 al cono 04. È probabile che lo smalto potrebbe essere utilizzato su un intervallo molto più lungo.
| Piombo rosso | 35,2% |
| Cenere vulcanica | 51,4 |
| Merlano | 8.,4 |
| Ossido di zinco | 1.0 |
| Caolino della Florida | 4.0 |
Di seguito è riportata una glassa ad alta temperatura che ha prodotto ottimi risultati su un corpo siliceo. Questo smalto è stato utilizzato a cono 7 e cono 9, ma dovrebbe essere utilizzabile da cono 6 a 10. Gli smalti colorati possono essere realizzati aggiungendo gli ossidi o le macchie corretti.
| cenere Vulcanica | del 39,9 per cento |
| Whiting | 8.4 |
| carbonato di Magnesio | 7.3 |
| carbonato di Bario | 4.,9 |
| Ball clay (O-38-4) | 28.5 |
| Flint | 10.0 |
Smalti di cenere vulcanica sono utilizzati in almeno tre ceramiche nello Stato e da un certo numero di scuole. Il vantaggio principale nell’uso della cenere vulcanica è il basso costo, anche se ci sono i vantaggi aggiunti di un poligono di tiro insolitamente lungo e il fatto che i colori negli smalti di cenere vulcanica sono un po ‘ più morbidi di quelli ottenuti con i materiali convenzionali. Kansas potteries anche trovare che la pubblicità l ” uso di smalti di cenere vulcanica attira i clienti.,
Corpi ceramici
La sostituzione della cenere vulcanica negli smalti ceramici con quantità equivalenti di altri materiali produce pochissime differenze nello smalto finale, sebbene la temperatura di cottura possa essere leggermente inferiore a causa della temperatura di fusione sorprendentemente bassa della cenere. Nei corpi ceramici, tuttavia, i risultati non sono così prevedibili. Generalmente i risultati sono più vantaggiosi di quanto ci si aspetterebbe., Un certo numero di corpi di prova con diversi tipi di argille e scisti e con quantità variabili di ceneri vulcaniche indicano che da 7 a 15 per cento aggiunte di ceneri vulcaniche a un corpo di scisto o argilla rossa abbassa la temperatura di vetrificazione, aumentando il campo di tiro per un corpo maturo e producendo una maggiore rigidità negli articoli alla temperatura massima., Queste qualità prodotte dalle aggiunte di cenere vulcanica consentono l’economia nell’uso del combustibile e riducono le perdite nel forno a causa dei requisiti di intervallo di temperatura meno critici e della capacità degli articoli di alzarsi sotto il proprio peso alle temperature massime raggiunte nel forno. Non tutte le argille e gli scisti reagiscono con risultati altrettanto favorevoli. Alcuni materiali sono avvantaggiati solo dal fatto che la temperatura di cottura è ridotta. I benefici delle aggiunte di cenere vulcanica ai corpi dei tubi di fogna hanno ricevuto notevole attenzione., Un gruppo di operatori di impianti di argilla sponsorizzato un progetto presso la stazione sperimentale di ingegneria presso Ohio State University per testare il valore delle aggiunte di cenere vulcanica ai corpi tubo di fogna. J. O. Everhart, professore di ricerca incaricato di questo progetto, ci ha riferito che benefici definiti sono stati ottenuti dall’uso di cenere vulcanica., In una lettera che accompagna il rapporto Everhart riassume gli effetti della cenere vulcanica come segue: “Sembra avere un’influenza in qualche modo stabilizzante sul mix a cui l’abbiamo aggiunto, e potrebbe essere di notevole valore per l’uso in miscele locali di argilla e scisto con un breve raggio di tiro. Attribuiamo questa influenza al fatto che forma un vetro molto viscoso che rimane così su un lungo intervallo di temperature.”F. K. Pence (comunicazione personale) dell’Università del Texas riferisce che risultati molto benefici sono realizzati dall’uso di cenere vulcanica in un corpo di tubo di fogna in un impianto del Texas.,
Risultati in qualche modo simili si ottengono con aggiunte di cenere vulcanica a corpi di ceramica o whiteware, anche se in questo caso il colore sparato del corpo è leggermente oscurato dal contenuto di ferro della cenere. L’uso di cenere vulcanica in quantità che vanno dal 10 al 25 per cento abbassa la temperatura di cottura necessaria, o per guardare la materia da un altro angolo, rende possibile per il vasaio la cui temperatura massima è limitata a produrre articoli infornati che non perde o mania. In generale le proprietà di fusione dei corpi di ceramica sono migliorate con l’aggiunta di cenere vulcanica., Ciò è dovuto in gran parte alle dimensioni e alla forma delle particelle. Almeno una ceramica in Kansas sta usando cenere vulcanica con argilla Kansas nel corpo di fusione e produce una merce vetrificata a cono 4.
Smalti vetrosi e vetrosi
La cenere vulcanica svolge nel vetro e negli smalti vetrosi la stessa funzione che svolge negli smalti ceramici. A causa dell’ossido di ferro di circa l ‘ 1,5% l’uso di cenere vulcanica in questi prodotti è limitato. La cenere vulcanica è stata seriamente considerata come ingrediente nei lotti di fibra di vetro e nel vetro espanso dove il leggero oscuramento del colore è di minore importanza., Se utilizzato nella produzione di fibra di vetro il problema di prevenire la disintegrazione delle matrici di platino dal ferro presente nella cenere dovrebbe essere risolto.
Prove di laboratorio con cenere vulcanica come ingrediente nello smalto vitreo sono state fatte da uno dei principali produttori di articoli sanitari. Il laboratorio ha riferito che gli smalti color crema e color avorio prodotti con aggiunte di cenere vulcanica erano leggermente superiori a quelli prodotti con i feldspati, ma che a causa della distanza la cenere avrebbe dovuto essere spedita alle loro piante nessun risparmio di costo sarebbe stato realizzato.,
Aggregati leggeri e blocchi cellulari
L’Oklahoma Geological Survey ha studiato la possibilità di produrre prodotti cellulari simili a Foamglas e un aggregato estremamente leggero costituito da particelle individuali gonfie di cenere vulcanica (Burwell, 1949). Il prodotto cellulare è stato prodotto riscaldando la cenere vulcanica ad alta temperatura in stampi refrattari. Il prodotto risultante, che è stato chiamato “pumicell” dall’indagine dell’Oklahoma, è un vetro contenente piccole celle d’aria disconnesse. Ha un alto valore isolante e può essere segato o inchiodato., La densità apparente del prodotto varia da 45 a 90 libbre per piede cubo rispetto a un vero peso specifico di 2,34 a 2,48, corrispondente a una densità di 146 a 155 libbre per piede cubo. Il volume di cellule chiuse nel prodotto era pari al 56,8% del totale.
Gonfiore sperimentale della cenere vulcanica del Kansas nel laboratorio dello State Geological Survey del Kansas indica che la cenere del Kansas ha le stesse caratteristiche di gonfiore del materiale dell’Oklahoma.,
L’aggregato leggero prodotto nel laboratorio dell’Oklahoma Geological Survey è simile alla perlite espansa, sebbene il metodo utilizzato per “pop” la cenere vulcanica non fosse lo stesso utilizzato per espandere la perlite. La cenere vulcanica è stata espansa introducendo un flusso di cenere vulcanica nella presa d’aria di un bruciatore a gas di tipo inspiratore. Il prodotto è costituito da perline vetrose contenenti una o più bolle. Il peso specifico della massa della cenere vulcanica” spuntata ” varia da 0,22 a 0,088, corrispondente a una densità apparente che va da 5,5 a 13,7 libbre per piede cubo., I prodotti realizzati con questo materiale isolano dalla trasmissione di calore, suono ed elettricità. Può essere utilizzato in intonaci acustici e isolanti, pannelli murali, blocchi leggeri e lastre.
Lo State Geological Survey del Kansas è stato in grado di produrre un prodotto simile espanso o “spuntato” dalla cenere vulcanica del Kansas di età pleistocenica. I tentativi di produrre un prodotto simile dalla cenere del Pliocene non hanno avuto successo. Sono previsti ulteriori test e i risultati saranno pubblicati in un bollettino d’indagine nel 1952.,
Un prodotto espanso di cenere vulcanica simile alla perlite viene prodotto a Hutchinson, Kansas, sotto il nome commerciale Mira-Colite. Il metodo utilizzato per la produzione di questo materiale non è noto in dettaglio.
Calcestruzzo
Circa 1.800 anni fa i Romani realizzarono un cemento composto da due parti in volume di cenere vulcanica e una parte di calce spenta. Oggi sono in uso le opere navali costruite con questo cemento pozzolanico. Il cemento romano o pozzolanico è estremamente lento se realizzato con calce spenta. Per evitare questa caratteristica discutibile moderni cementi pozzolanici sono realizzati con cemento Portland., Cementi di questo tipo sono di particolare interesse perché resistono alla disintegrazione da parte dell’acqua di mare e in alcuni casi minimizzano la reazione di alcuni tipi di aggregati silicei con gli alcali presenti nel cemento Portland. La cenere vulcanica, oltre alle sue proprietà naturali di cementazione, serve allo scopo di un aggregato fine che riempie i vuoti tra l’aggregato di sabbia fine e il cemento. Nel calcestruzzo fatto con cenere vulcanica fino al 50 per cento del cemento può essere sostituito dalla cenere, anche se una proporzione più piccola comunemente è usato.
Secondo Barr (1949, p., 752) l’uso principale della cenere vulcanica (pumicite) è per l’aggregato di calcestruzzo e il suo uso come additivo nel cemento per calcestruzzo sta acquisendo crescente importanza. Nel 1945 furono prodotte quantità quasi uguali di cenere vulcanica e pomice per l’uso negli abrasivi e nel calcestruzzo. Nel 1947, 4,5 volte tanto di questi stessi materiali è stato utilizzato nel calcestruzzo come è stato impiegato per scopi abrasivi.,
Usi vari
La cenere vulcanica viene utilizzata come ingrediente principale in alcuni composti di spazzamento, come isolante nei tubi di acqua e vapore, nelle caldaie in ritardo e come isolante di riempimento sciolto in pareti e soffitti. Viene anche usato come riempitivo o diluente in vernice e come vettore per insetticidi. La cenere vulcanica è stata utilizzata per la purificazione e la chiarificazione degli oli mediante filtrazione. È probabile che la cenere vulcanica parzialmente alterata sia utilizzata per quest’ultimo scopo.,
Negli ultimi anni il Dipartimento della State Highway ha prodotto grandi quantità di cenere vulcanica da almeno otto pozzi in Kansas. Questo è usato in gran parte per la medicazione superiore su “top nero” o strade bituminose opache. È probabile che in Kansas si usi più cenere per questo scopo che in qualsiasi altro stato.