Цементы на основе алюмината кальция [1] — это цементы , состоящие преимущественно из гидравлических алюминатов кальция . Альтернативные названия — «глиноземистый цемент», «высокоглиноземистый цемент» и «Ciment fondu» на французском языке. Они используются в ряде мелкомасштабных специализированных приложений. [ необходима цитата ]
Метод изготовления цемента из известняка ( CaCO3 ) и боксита с низким содержанием кремния ( Al2O3 ) был запатентован во Франции в 1908 году Биедом из компании Pavin de Lafarge . Первоначальная разработка была результатом поиска цемента, обладающего сульфатостойкостью. Цемент был известен как «Ciment fondu» и «Ciment électro-fondu» на французском языке. [2] [3]
Как указал Бид (1922), [2], который был изобретателем этого типа цемента, термины «Ciment fondu» («плавленый цемент») и «Ciment électro-fondu» («электроплавленый цемент») относятся только к производственному процессу, включающему плавление основных материалов (CaO, полученного после декарбонизации CaCO 3 , и Al 2 O 3 ). Это связано с тем, что не существует температурного диапазона, в котором можно было бы наблюдать постепенное размягчение и клинкеризацию этих материалов, как в случае портландцемента при температуре около 1450 °C. При отсутствии температуры размягчения алюминаты кальция получаются непосредственно путем плавления исходных материалов, и Бид (1922) ясно указал свое предпочтение названию «ciment alumineux» («глиноземистый цемент»), ссылаясь на его состав, а не на производственный процесс. [2]
Впоследствии были обнаружены его другие особые свойства, которые определили его будущее в узкоспециализированных приложениях. [ необходима цитата ]
К 2010-м годам продукт появился на рынке США под названием цемент FONDAG (FOND Aluminous Aggregate), иногда называемый ALAG (ALuminous AGgregate). Цемент FONDAG представляет собой смесь до 40 процентов глинозема и стабилен при высоких температурах и термоциклировании от −184 до 1093 °C (−300–2000 °F; 89–1400 K; 160–2500 °R) [4]
Цемент CAC, изобретенный в 1908 году Бидом [2], не содержит сульфатов и затвердевает, образуя в основном гидратированные алюминаты кальция или карбоалюминаты ( фазы AFm : монозамещенные фазы алюминиевого феррита), иногда сопровождаемые C–S–H в качестве второстепенного компонента, в то время как Ca(OH) 2 ( портландит ) отсутствует. [5] Таким образом, цемент CAC не следует путать с цементом на основе сульфоалюмината кальция (CSA), содержащим сульфат кальция и изобретенным позднее в 1936 году. [6]
Основным компонентом, а также наиболее реакционноспособной фазой цементов на основе алюмината кальция является монокальцийалюминат ( CaAl2O4 = CaO · Al2O3 , также обозначается как CA в нотации химика-цементов ). Обычно он содержит другие алюминаты кальция , а также ряд менее реакционноспособных фаз , получаемых из примесей в сырье. Встречается довольно широкий диапазон составов в зависимости от области применения и чистоты используемого источника алюминия. [ 7] Составляющие некоторых типичных формул включают:
Все минеральные фазы имеют форму твердых растворов с несколько изменчивым составом. [ необходима ссылка ]
Цемент изготавливается путем сплавления смеси кальцийсодержащего материала (обычно оксида кальция из известняка ) и алюминийсодержащего материала (обычно боксита для общего назначения или очищенного глинозема для белого и огнеупорного цемента).
Плавление смеси происходит при температуре 1600 °C и требует больших затрат энергии. [8] [9] Более высокая температура объясняет часть более высоких затрат на производство, чем для клинкера обычного портландцемента, спеченного при температуре 1450 °C. [ необходима ссылка ]
Жидкая смесь охлаждается до пузырькового , базальтообразного клинкера , который измельчается отдельно для получения готового продукта. Поскольку обычно происходит полное расплавление, можно использовать сырье в кусковой форме. Типичное устройство печи включает отражательную печь, снабженную шахтным подогревателем, в котором горячие отходящие газы проходят вверх, в то время как кусковая сырьевая смесь проходит вниз. Подогреватель рекуперирует большую часть тепла в дымовых газах, дегидратирует и дегидроксилирует боксит и декарбонизирует известняк. Прокаленный материал падает в «холодный конец» ванны расплава. Расплав переливается через горячий конец печи в формы, в которых он охлаждается и затвердевает. Система обжигается пылевидным углем или маслом. Охлажденные клинкерные слитки измельчаются и измельчаются в шаровой мельнице . В случае высокоглиноземистых огнеупорных цементов, где спекается только смесь, можно использовать вращающуюся печь . [ необходима цитата ]
Цементы CAC набирают прочность быстрее, чем обычный портландцемент (OPC). Иногда для обеспечения более длительной работоспособности требуется замедлитель. [ необходима цитата ]
В отличие от портландцемента, кальциево-алюминатные цементы не выделяют гидроксид кальция ( Ca(OH) 2 , портландит или известь ) во время гидратации. [5]
Реакции гидратации цементов на основе алюмината кальция очень сложны. Прочностные фазы — это монокальциевый алюминат ( CA ) , додекакальциевый гептаалюминат ( C12A7 ) и белит ( C2S ), дикальциевый силикат. Алюмоферрит кальция ( C4AF ) , монокальциевый диалюминат ( CA2 ) , геленит и плеохроит вносят небольшой вклад в прочность бетона . [ требуется цитата ]
Во время затвердевания цемента реактивные алюминаты первоначально реагируют с водой, образуя смесь гидратированных фаз, выраженную ниже в обычной оксидной нотации, а также сокращенно в более компактной цементной химико-нотации (CCN) (CaO = C; Al 2 O 3 = A; H 2 O = H; и SiO 2 = S):
количество каждого зависит от температуры отверждения . [ необходима цитата ]
Первые два гидрата впоследствии разлагаются на смесь 3 CaO · Al 2 O 3 · 6 H 2 O, геля Al(OH) 3 и воды, этот процесс называется «конверсией». Из-за потери воды конверсия вызывает увеличение пористости , что может сопровождаться снижением прочности бетона . Это не должно быть проблемой в конструкционном бетоне при условии, что используется достаточно высокое содержание цемента и достаточно низкое соотношение вода/цемент . [10]
Неправильное использование цементов на основе алюмината кальция в качестве обычного строительного материала без принятия специальных мер предосторожности привело к проблемам с устойчивостью конструкций зданий.
8 февраля 1974 года в Великобритании обрушилась крыша бассейна. [11] В 1984 году обрушилась крыша здания фабрики в Угерске-Градиште в Чехословакии (построена в 1952 году), в результате чего погибло 18 человек. [12] В Мадриде, Испания, пострадал большой жилой квартал, прозванный «Корея» (потому что он был построен для размещения американцев во время Корейской войны ), построенный в 1951–1954 годах, и его пришлось снести в 2006 году. Также в Мадриде пострадал футбольный стадион «Висенте Кальдерон», который пришлось частично перестроить и укрепить. [13]
Из-за своей относительно высокой стоимости и деликатного применения цементы на основе алюмината кальция используются в ряде ограниченных областей применения, где достигаемая эффективность оправдывает затраты: [3] [ необходима цитата ]
Биогенная коррозионная стойкость цементов на основе алюмината кальция сегодня используется в трех основных областях: [ необходима ссылка ]
ALAG (ALuminous AGgregate) — это синтетический кальциево-алюминатный агрегат, произведенный путем сплавления боксита и известняка в частично перекристаллизованный агрегат, содержащий около 40% глинозема. По сути, это клинкер Fondu, измельченный и отсортированный по сортам, обычно необходимым разработчикам бетона и литейных составов.