Кальциево-алюминатные цементы
Кальциево-алюминатные цементы [1] Цементы, состоящие преимущественно из гидравлических алюминатов кальция . Альтернативные названия на французском языке: «глиноземистый цемент», «высокоглиноземистый цемент» и «Ciment Fondu». Они используются в ряде небольших специализированных приложений. [ нужна ссылка ]
История
[ редактировать ]Способ изготовления цемента из известняка ( CaCO 3 ) и низкокремнеземистые бокситы ( Al 2 O 3 ) 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 Биед (1922), [2] кто был изобретателем этого типа цемента, термины «Cimentfundu» («плавленый цемент») и «Ciment électro-fondu» («электро-плавленный цемент») относятся только к производственному процессу, включающему плавление основных материалов. (CaO, полученный после декарбонизации СаСО 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 с портландцементом около 1450 °С. В отсутствие температуры размягчения алюминаты кальция получают непосредственно путем плавления материалов-предшественников, и Бид (1922) ясно указал на свое предпочтение наименованию «ciment alumineux» («глиноземистый цемент»), имея в виду его состав, а не производственный процесс. [2]
Впоследствии были обнаружены другие его особые свойства, которые привели к его будущему в нишевых приложениях. [ нужна ссылка ]
К 2010-м годам продукт появился на рынке США под названием FONDAG цемент (FOND Aluminous Aggregate), иногда называемый ALAG (ALuminous AGgregate). Цемент FONDAG представляет собой смесь, содержащую до 40 процентов глинозема, стабилен при высоких температурах и термоциклировании в диапазоне от -184 до 1093 ° C (-300–2 000 ° F; 89–1 400 K; 160–2 500 ° R). [4]
Состав
[ редактировать ]Цемент CAC изобретен Биедом в 1908 году. [2] не содержит сульфатов и затвердевает с образованием в основном гидратированных алюминатов или карбоалюминатов кальция ( фазы AFm : монозамещенные фазы феррита алюминия), иногда сопровождающихся 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 позже, в 1936 году. [6]
Основным компонентом, а также наиболее реакционноспособной фазой алюминатных цементов кальция является алюминат монокальция ( СаАл 2 О 4 = CaO · Al 2 O 3 , также пишется как CA в обозначениях химика-цементиста ). Обычно он содержит другие алюминаты кальция , а также ряд менее реакционноспособных фаз, образующихся из-за примесей в сырье. Встречается довольно широкий диапазон составов, в зависимости от применения и чистоты используемого источника алюминия. [7] Компоненты некоторых типичных составов включают:
| Оксид/Минерал | Общее назначение | Бафф | Белый | огнеупорный |
|---|---|---|---|---|
| SiO 2 | 4.0 | 5.0 | 2.7 | 0.4 |
| Al2OAl2O3 | 39.4 | 53.0 | 62.4 | 79.6 |
| Fe2OFe2O3 | 16.4 | 2.0 | 0.4 | 0 |
| Высокий | 38.4 | 38.0 | 34.0 | 19.8 |
| MgO | 1.0 | 0.1 | 0.1 | 0 |
| Na2Na2O | 0.1 | 0.1 | 0 | 0 |
| К 2 О | 0.2 | 0 | 0 | 0 |
| ТиО 2 | 1.9 | 1.8 | 0.4 | 0.1 |
| Алюминат монокальция | 46 | 70 | 70 | 35 |
| Гептаалюминат додекакальция | 10 | 5 | 0 | 0 |
| Диалюминат монокальция | 0 | 0 | 17 | 30 |
| Белите | 7 | 5 | 0 | 0 |
| геленит | 4 | 14 | 11 | 1 |
| Феррит | 24 | 5 | 2 | 0 |
| Плеокроит | 1 | 1 | 1 | 0 |
| Вюстит | 7 | 0 | 0 | 0 |
| Корунд | 0 | 0 | 0 | 33 |
Все минеральные фазы представляют собой твердые растворы с несколько переменным составом. [ нужна ссылка ]
Производство
[ редактировать ]Цемент изготавливается путем сплавления смеси содержащего кальций материала (обычно оксида кальция из известняка ) и материала, содержащего алюминий (обычно боксита для общих целей или рафинированного глинозема для белых и огнеупорных цементов).
Плавление смеси достигается при 1600 °С и требует больших затрат энергии. [8] [9] Более повышенная температура отчасти объясняет более высокие производственные затраты по сравнению с клинкером из обычного портландцемента, спеченного при 1450 °С. [ нужна ссылка ]
Сжиженная смесь охлаждается до везикулярного , базальтового клинкера который измельчается отдельно для получения готового продукта. Поскольку обычно происходит полное плавление, можно использовать сырье в кусковой форме. Типичная конструкция печи включает отражательную печь, снабженную шахтным подогревателем, в котором горячие отходящие газы проходят вверх, а кусковая сырьевая смесь движется вниз. Подогреватель рекуперирует большую часть тепла дымовых газов, обезвоживает и дегидроксилирует боксит, а также декарбонизирует известняк. Обожженный материал попадает в «холодный конец» ванны с расплавом. Расплав переливается из горячего конца печи в формы, в которых охлаждается и затвердевает. Система работает на угольной пыли или масле. Охлажденные слитки клинкера дробятся и перемалываются в шаровой мельнице . В случае высокоглиноземистых огнеупорных цементов, когда смесь только спекается, вращающуюся печь . можно использовать [ нужна ссылка ]
Реакции гидратации
[ редактировать ]Цементы CAC набирают прочность быстрее, чем обычный портландцемент (OPC). Иногда для обеспечения более длительной работоспособности необходим замедлитель. [ нужна ссылка ]
В отличие от портландцементов, алюминатные цементы не выделяют гидроксид кальция . Ca(OH) 2 , портландит или известь ) при их гидратации. [5]
Реакции гидратации цементов на основе алюмината кальция очень сложны. Фазами, развивающими прочность, являются алюминат монокальция ( CA ), гептаалюминат додека-кальция ( C 12 A 7 ) и белит ( C 2 S ), дикальцийсиликат. Алюмоферрит кальция ( C 4 AF ), диалюминат монокальция ( CA 2 ), геленит и плеохроит мало способствуют прочности бетона . [ нужна ссылка ]
Во время схватывания цемента реакционноспособные алюминаты первоначально реагируют с водой с образованием смеси гидратных фаз, выраженных ниже в обычных оксидных обозначениях, а также сокращенно в более компактных обозначениях химика-цементиста (CCN) (CaO = C; Al 2 O 3 = А; Н 2 О = Н; и SiO 2 = S):
- СаО · Al 2 O 3 · 10 H 2 O ( САН 10 ),
- 2 CaO · Al 2 O 3 · 8 H 2 O ( C2AH8 AH, )
- 3 CaO · Al 2 O 3 · 6 H 2 O ( C 3 AH 6 ), и Al(OH) 3 лед,
количества каждого из них зависят от температуры отверждения . [ нужна ссылка ]
Первые два гидрата впоследствии разлагаются до смеси 3 CaO · Al 2 O 3 · 6 H 2 Al(OH) 3 O, гель и вода; этот процесс называется «конверсией». Из-за потери воды преобразование вызывает увеличение пористости , что может сопровождаться снижением прочности бетона . Это не должно быть проблемой для конструкционного бетона при условии, что достаточно высокое содержание цемента и достаточно низкое соотношение вода/цемент . используется [10]
Проблемы структурной устойчивости: ненадлежащее использование для общего строительства.
[ редактировать ]Неправильное использование цементов на основе алюмината кальция в качестве обычного строительного материала без специальных мер предосторожности привело к проблемам со структурной стабильностью зданий.
8 февраля 1974 года в Великобритании обрушилась крыша бассейна. [11] В 1984 году обрушилась крыша фабричного здания в Угерске-Градиште в Чехословакии (построенного в 1952 году), в результате чего погибло 18 человек. [12] В Мадриде, Испания, пострадал большой жилой квартал, получивший название «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. и его пришлось частично перестроить и укрепить. [13]
Специальные приложения
[ редактировать ]Из-за относительно высокой стоимости и деликатного применения цементы на основе алюмината кальция используются в ряде ограниченных применений, где достигнутые характеристики оправдывают затраты: [3] [ нужна ссылка ]
- для некоторых компонентов бетона, для которых требуется быстрое наращивание прочности даже при низких температурах. В этом случае достаточно высокое содержание цемента и достаточно низкое соотношение вода/цемент являются обязательными, чтобы свести к минимуму любые возможные проблемы со структурной стабильностью и повысить долговечность бетона.
- в качестве компонента составов цементных смесей для обеспечения различных свойств, таких как сверхбыстрое нарастание прочности и контролируемое расширение.
- в огнеупорных бетонах, где требуется прочность при высоких температурах.
- в качестве защитного покрытия (и ремонтного материала) от микробной коррозии, например, в канализационных инфраструктурах, из-за их высокой устойчивости к биогенной сульфидной коррозии .
Применение канализационных сетей
[ редактировать ]Биогенная коррозионная стойкость цементов на основе алюмината кальция сегодня используется в трех основных областях: [ нужна ссылка ]
- Трубы из ковкого чугуна для сточных вод имеют внутреннюю футеровку из алюминатно-кальциевого цементного раствора .
- Бетонные трубы для канализации могут быть изготовлены либо из полномассного алюминатно-кальциевого цементного бетона, либо с внутренней облицовкой из алюминатно-кальциевого цементного раствора.
- Восстановление доступной для человека канализационной инфраструктуры с использованием 100% раствора алюмината кальция с использованием одного из следующих методов укладки: мокрое распыление под низким давлением, мокрое распыление с вращающейся головкой или сухое распыление под высоким давлением ( торкрет , торкрет-бетон ).
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хьюлетт, ПК (ред.) (1998). «13». Химия цемента и бетона Ли: 4-е изд . Арнольд. ISBN 0-340-56589-6 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б с д Биед, MJ (декабрь 1922 г.). «Глиноземистый цемент (Льежский конгресс, июнь 1922 г.» . Revue de Métallurgie . 19 (12): 759–764. doi : 10.1051/metal/192219120759 . eISSN 1156-3141 . ISSN 0035-1563 .
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б «Расплавленный цемент» . Бетонные работы (на французском языке). 2023 . Проверено 27 апреля 2023 г.
- ^ «ФОНДАГ» . Вода онлайн . 2019 . Проверено 29 августа 2019 г.
ALAG (ALuminous AGgregate) представляет собой синтетический агрегат алюмината кальция, получаемый путем сплавления боксита и известняка в частично перекристаллизованный агрегат, содержащий примерно 40% глинозема. По сути, это клинкер Fondu, измельченный и отсортированный по сортам, обычно необходимым для производителей бетона и бетонных изделий.
- ↑ Перейти обратно: Перейти обратно: а б Оджован, Майкл И.; Ли, Уильям Э.; Калмыков, Степан Н. (2019). «Иммобилизация радиоактивных отходов в цемент». Введение в иммобилизацию ядерных отходов . Эльзевир. стр. 271–303. дои : 10.1016/B978-0-08-102702-8.00017-0 . ISBN 9780081027028 .
- ^ Бешер, Эрик; Ким, Джон (3 июля 2019 г.). Белитический цемент на основе сульфоалюмината кальция: история, химический состав, характеристики и использование в Соединенных Штатах .
- ^ Тейлор HFW (1990) Химия цемента , Academic Press, ISBN 0-12-683900-X , с. 317.
- ^ Экель, Эдвин К. (5 мая 1925 г.), Процесс производства железа и цемента , получено 27 апреля 2023 г.
- ^ Александр, Хассельбах (17 июля 1928 г.), Способ производства цементов с высоким содержанием глинозема , получено 27 апреля 2023 г.
- ^ Тейлор там же, с. 330.
- ^ «Проб и ошибка» . 18 апреля 2002 г.
- ^ «30 лет назад в МЭСИТ в Угерске Градиште обрушилась часть производственного цеха». Дневник (на чешском языке). 21 ноября 2014 г. Проверено 22 сентября 2022 г.
- ^ http://www.elmundo.es/papel/2007/02/07/madrid/2082060.html [ мертвая ссылка ]
Библиография
[ редактировать ]- Тейлор, Гарри Ф.В. (1997). Цементная химия . Томас Телфорд. ISBN 978-0-7277-2592-9 .
- Хьюлетт, Питер; Лиска, Мартин (2019). Химия цемента и бетона Ли . Баттерворт-Хайнеманн. ISBN 978-0-08-100795-2 .
| История | |
|---|---|
| Состав | |
| Производство | |
| Строительство | |
| Наука | |
| Типы | |
| Приложения | |
| Организации | |
| Стандарты | |
| См. также | |
