أسمنت ألومينات الكالسيوم

أسمنتات ألومينات الكالسيوم ^{[ 1 ]} هي أسمنتات تتكون أساسًا من ألومينات الكالسيوم الهيدروليكية . وتُعرف أيضًا باسم "الأسمنت الألوميني" و"الأسمنت عالي الألومينا" و"Ciment fondu" بالفرنسية. وتُستخدم في عدد من التطبيقات المتخصصة صغيرة النطاق.

حصل بيد، من شركة بافان دي لافارج، على براءة اختراع في فرنسا عام 1908 لطريقة تصنيع الإسمنت من الحجر الجيري (CaCO₃) والبوكسيت منخفض السيليكا (Al₂O₃). _وجاء هذا _{التطوير} الأولي نتيجةً للبحث عن إسمنت مقاوم للكبريتات . _عُرف هذا الإسمنت في فرنسا باسم "Ciment fondu" و"Ciment électro-fondu". ^{[ 2 ] [ 3 ]}

كما أشار بيد (1922) ^{[ 2 ]} ، مخترع هذا النوع من الإسمنت، فإن مصطلحي "الإسمنت المصهور" و"الإسمنت المصهور كهربائيًا" يشيران فقط إلى عملية التصنيع التي تتضمن صهر المواد الأساسية (أكسيد الكالسيوم الناتج عن إزالة الكربونات من _{كربونات} الكالسيوم ، وأكسيد _{الألومنيوم} ) . وذلك لعدم وجود نطاق حراري يُمكن فيه ملاحظة التليين التدريجي وتكوين الكلنكر لهذه المواد، كما هو الحال مع إسمنت بورتلاند عند حوالي 1450 درجة مئوية. في غياب درجة حرارة التليين، يتم الحصول على ألومينات الكالسيوم مباشرةً عن طريق صهر المواد الأولية _، وقد أوضح بيد (1922) تفضيله لتسمية "الإسمنت الألوميني" للإشارة إلى تركيبه وليس إلى عملية تصنيعه. ^{[ 2 ]} 

وفي وقت لاحق، تم اكتشاف خصائصه الخاصة الأخرى، والتي أدت إلى استخدامه في تطبيقات متخصصة مستقبلاً.

بحلول العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، أصبح المنتج متوفرًا في السوق الأمريكية تحت اسم أسمنت فونداج (FOND) (الركام الألوميني)، ويُشار إليه أحيانًا باسم ألاج (ALAG) (الركام الألوميني). يتكون أسمنت فونداج من مزيج من الألومينا بنسبة تصل إلى 40%، وهو مستقر في درجات الحرارة العالية وفي دورات حرارية تتراوح بين -184 و1093 درجة مئوية (-300 إلى 2000 درجة فهرنهايت؛ 89 إلى 1400 كلفن؛ 160 إلى 2500 درجة رانكين) ^{[ 4 ].}    

أسمنت ألومينات الكالسيوم (CAC)، الذي ابتكره بيد عام 1908 ^{[ 2 ]} ، خالٍ من الكبريتات ، ويتصلب ليعطي بشكل أساسي ألومينات الكالسيوم المائية أو كربوألومينات الكالسيوم ( أطوار AFm : أطوار أحادية الاستبدال من فيريت الألومنيوم)، مصحوبًا أحيانًا بـ C-S-H كمكون ثانوي، بينما يغيب Ca(OH) ₂ ( البورتلانديت ). ^{[ 5 ]} لذا، يجب عدم الخلط بين أسمنت ألومينات الكالسيوم وأسمنت كبريتات ألومينات الكالسيوم (CSA) الذي يحتوي على كبريتات الكالسيوم والذي تم ابتكاره لاحقًا عام 1936. ^{[ 6 ]}

المكون الرئيسي، والأكثر تفاعلاً أيضاً، في أسمنت ألومينات الكالسيوم هو _{ألومينات} الكالسيوم الأحادي _{( CaAl₂O₄} = CaO · Al₂O₃ _، ويُكتب أيضاً CA في ترميز كيميائيي الأسمنت ). يحتوي عادةً على ألومينات كالسيوم أخرى ، بالإضافة إلى عدد من الأطوار الأقل تفاعلاً الناتجة عن الشوائب الموجودة في المواد الخام. وتوجد مجموعة واسعة من التركيبات، تبعاً للتطبيق ونقاء مصدر الألومنيوم المستخدم. ^{[ 7 ]} تشمل مكونات بعض التركيبات النموذجية ما يلي:

تتخذ جميع المراحل المعدنية شكل محاليل صلبة ذات تركيبات متغيرة إلى حد ما.

يتم صنع الأسمنت عن طريق دمج خليط من مادة تحتوي على الكالسيوم (عادة أكسيد الكالسيوم من الحجر الجيري ) ومادة تحتوي على الألومنيوم (عادة البوكسيت للأغراض العامة، أو الألومينا المكررة للأسمنت الأبيض والمقاوم للحرارة).

تتم عملية انصهار الخليط عند درجة حرارة 1600  درجة مئوية، وهي عملية تتطلب طاقة كبيرة. ^{[ 8 ] [ 9 ]} وتُفسر درجة الحرارة المرتفعة جزءًا من ارتفاع تكاليف إنتاجه مقارنةً بالكلنكر المصنوع من أسمنت بورتلاند العادي المُلبّد عند درجة حرارة 1450  درجة مئوية.

يبرد المزيج السائل ليتحول إلى كلنكر مسامي يشبه البازلت ، يُطحن وحده لإنتاج المنتج النهائي. ولأن الانصهار الكامل يحدث عادةً، يمكن استخدام المواد الخام على شكل كتل. يتألف تصميم الفرن النموذجي من فرن عاكس مزود بمسخن مسبق عمودي، حيث تمر غازات العادم الساخنة إلى الأعلى بينما يمر مزيج المواد الخام الكتلي إلى الأسفل. يستعيد المسخن المسبق معظم الحرارة الموجودة في غازات الاحتراق، ويجفف البوكسيت ويزيل الهيدروكسيل منه، ويزيل الكربونات من الحجر الجيري. تسقط المادة المكلسة في "الطرف البارد" لحمام الصهر. يفيض المصهور من الطرف الساخن للفرن إلى قوالب حيث يبرد ويتصلب. يُشعل النظام بالفحم المسحوق أو الزيت. تُسحق سبائك الكلنكر المبردة وتُطحن في مطحنة كروية . في حالة الأسمنت الحراري عالي الألومينا ، حيث يتلبد المزيج فقط، يمكن استخدام فرن دوار .

تكتسب أسمنتات أسيتات الكالسيوم (CAC) قوتها بسرعة أكبر من أسمنت بورتلاند العادي (OPC). وفي بعض الأحيان، يلزم استخدام مُؤخِّر للتصلب لضمان قابلية تشغيل أطول.

على عكس أسمنت بورتلاند، فإن أسمنت ألومينات الكالسيوم لا يطلق هيدروكسيد الكالسيوم ( Ca(OH) ₂ ، أو البورتلانديت ، أو الجير ) أثناء عملية التصلب. ^{[ 5 ]}

تتسم تفاعلات الإماهة في أسمنت ألومينات الكالسيوم بالتعقيد الشديد. وتشمل المراحل المسؤولة عن اكتساب القوة: ألومينات الكالسيوم الأحادية ( _CA ) _، وألومينات الكالسيوم السباعية الاثني عشرية ( _C12A7 ) ، والبيليت ( _C2S ) ، وهو سيليكات ثنائي الكالسيوم. أما ألومينوفيريت الكالسيوم ( C4AF ) ، وألومينات الكالسيوم الثنائية الأحادية ( CA2 )، _{والجيلينيت} ، والبليوكرويت ، فتساهم بشكل طفيف في قوة الخرسانة .

أثناء تصلب الأسمنت، تتفاعل الألومينات النشطة مع الماء في البداية لتكوين خليط من الأطوار المائية الموضحة أدناه بالترميز الأكسيدي العادي وأيضًا مختصرة بالترميز الكيميائي للأسمنت الأكثر اختصارًا (CCN ) (CaO = C؛ Al2O3 = A؛ H2O _{= H ؛} و SiO2 = _S ):

   CaO · Al ₂ O ₃ · 10 H ₂ O ( CAH ₁₀ )،   

2 CaO · Al ₂ O ₃ · 8 H ₂ O ( C ₂ AH ₈ ),     

3 CaO · Al ₂ O ₃ · 6 H ₂ O ( C ₃ AH ₆ ), وجل Al(OH) ₃ ،     

تعتمد كميات كل منها على درجة حرارة المعالجة .

يتحلل المركبان المائيان الأولان لاحقًا إلى خليط من 3 CaO · Al₂O₃ _· 6H₂O _{، وهلام} Al (OH) _₃ ، والماء، وتُسمى هذه العملية "التحويل". وبسبب فقدان الماء، يؤدي التحويل إلى زيادة المسامية ، مما قد يصاحبه انخفاض في مقاومة الخرسانة . ولا يُشكل هذا بالضرورة مشكلة في الخرسانة الإنشائية شريطة استخدام نسبة عالية كافية من الأسمنت ونسبة منخفضة كافية من الماء إلى الأسمنت . ^{[ 10 ]}

أدى الاستخدام غير المناسب لأسمنت ألومينات الكالسيوم كمادة بناء شائعة دون اتخاذ احتياطات خاصة إلى مشاكل في استقرار المباني.

في 8 فبراير 1974، انهار سقف مسبح في المملكة المتحدة. ^{[ 11 ]} وفي عام 1984، انهار سقف مبنى مصنع في أوهيرسكي هراديشتي في تشيكوسلوفاكيا (بُني عام 1952)، مما أسفر عن مقتل 18 شخصًا. ^{[ 12 ]} وفي مدريد، إسبانيا، تضررت كتلة سكنية كبيرة تُعرف باسم "كوريا" (لأنها بُنيت لإيواء الأمريكيين خلال الحرب الكورية )، والتي شُيدت بين عامي 1951 و1954 ، واضطرت إلى الهدم عام 2006. كما تضرر ملعب فيسنتي كالديرون لكرة القدم في مدريد أيضًا، واضطر إلى إعادة بنائه جزئيًا وتدعيمه. ^{[ 13 ]}

بسبب تكلفتها العالية نسبيًا ودقة تطبيقها، تُستخدم أسمنتات ألومينات الكالسيوم في عدد من التطبيقات المحدودة حيث يبرر الأداء المحقق التكاليف: ^{[ 3 ]}

• بالنسبة لبعض مكونات الخرسانة، التي تتطلب تطورًا سريعًا للقوة، حتى في درجات الحرارة المنخفضة، يُعدّ استخدام نسبة عالية من الأسمنت ونسبة منخفضة من الماء إلى الأسمنت أمرًا ضروريًا لتقليل أي مشاكل محتملة في استقرار الهيكل وزيادة متانة الخرسانة.
• كمكون في تركيبات الأسمنت المخلوط، هناك حاجة إلى خصائص مختلفة مثل التطور السريع للغاية للقوة والتمدد المتحكم فيه.
• في الخرسانة المقاومة للحرارة ، حيث تكون القوة مطلوبة في درجات الحرارة العالية.
• كبطانة واقية (ومادة إصلاح) ضد التآكل الميكروبي كما هو الحال في البنية التحتية للصرف الصحي نظرًا لمقاومتها العالية للتآكل الناتج عن الكبريتيد الحيوي .

تُستخدم مقاومة التآكل البيولوجي لأسمنت ألومينات الكالسيوم اليوم في ثلاثة تطبيقات رئيسية:

• أنابيب الحديد المطاوع لمياه الصرف الصحي لها بطانة داخلية مصنوعة من ملاط ​​أسمنت ألومينات الكالسيوم .
• يمكن صنع أنابيب الصرف الصحي الخرسانية إما باستخدام الخرسانة الأسمنتية الكلسية كاملة الكتلة أو باستخدام بطانة داخلية من ملاط ​​الأسمنت الكلسي.
• إعادة تأهيل البنية التحتية للصرف الصحي التي يمكن الوصول إليها بواسطة الإنسان باستخدام ملاط ​​ألومينات الكالسيوم بنسبة 100% باستخدام إحدى طرق الوضع التالية: الرش الرطب منخفض الضغط، أو الرش الرطب برأس دوار، أو الرش الجاف عالي الضغط ( الخرسانة المرشوشة ) .