کاربرد سیمان نسوز چیست؟ فرآیند تولید، مزایا و معایب آن

سیمان نسوز یا سیمان با آلومین بالا (Refractory Cement) با آسیاب کردن کلینکرهای آلومینا و مواد آهکی در طی فرآیند ذوب یا پخت تولید می‌شود. این نوع سیمان همچنین به سیمان دیرگداز یا آلومینیوم کلسیم نیز معروف است. سیمان نسوز به دلیل وجود ترکیبات خاص در فرآیند تولیدش، کاربردهای محدودی در حوزه عمرانی دارد. اما آنچه می‌تواند برای بسیاری از اهالی مشغول در حوزه ساخت و ساز مهم باشد، کسب اطلاعات لازم درباره خصوصیات، نحوه تولید، فواید و معایب و کاربردهای این نوع سیمان است؛ با ویکی ساختمون همراه باشید.

تاریخچه سیمان نسوز

سیمان نسوز برای اولین بار توسط Lafarge، تولید کننده سیمان ساخته شد و در سال ۱۹۲۵ در انگلیس در دسترس قرار گرفت. به ویژه برای کاربردهای دریایی که نیاز است ساختار در برابر حمله شیمیایی مقاومت بالایی داشته باشد، مورد استفاده قرار می‌گرفت. این سیمان در دهه ۵۰، ۶۰ و ۷۰ میلادی محبوب شد، زیرا ساخت آن نسبتاً سریع انجام می‌شد.

با این حال، سیمان نسوز مستعد یک تنظیم مجدد کریستالی بود که منجر به کاهش قدرت و همچنین آسیب پذیری در برابر حمله شیمیایی در طولانی مدت قرار می‌گرفت. در دهه ۷۰ میلادی، بسیاری از سازه‌هایی که با این سیمان ساخته شده‌اند، در زمان بهره‌برداری دچار شکست شدند و خرابی گسترده ایجاد کردند.

در سال ۱۹۷۵، کمیته مشورتی ساختمان محیط زیست (DOE) و کمیته مشورتی (BRAC) رهنمودهایی را برای مراحل بررسی طراحی سیمان پر آلومین منتشر کردند. این راهنما نشان می‌دهد که استفاده از سیمان پر آلومین تنها برای مصارف غیر سازه‌ای امکان پذیر است و هیچ ساختمانی نباید درعناصر باربر خود اعم از فونداسیون، تیر، ستون و سقف از این سیمان در طرح اختلاط بتن استفاده کند.

سیمان نسوز چیست؟

برخلاف سیمان پرتلند که از سیلیکات‌های کلسیم تشکیل شده است، سیمان نسور از آلومینات کلسیم (سنگ آهک یا گچ و بوکسیت) ساخته می‌شود. مواد تشکیل دهنده این نوع سیمان طبق جدول زیر است:

سیمان پر آلومین منجر به از دست دادن مقاومت نهایی بتن می‌شود، به این دلیل که تری کلسیم آلومینا هگزا هیدرات مکعبی (C3AH6) دارای تراکم بیشتری نسبت به مونو کلسیم آلومینات دک هیدرات مونو تبدیل نشده (CAH10) است. بنابراین، اگر حجم کلی ثابت بماند، در نتیجه منجر به افزایش تخلخل مخلوط می‌شود که تأثیر جانبی بر مقاومت بتن می‌گذارد.

مقاومت، تابعی از دما و نسبت آب به سیمان است. در نسبت آب به سیمان متوسط ​​و زیاد، مقاومت باقی‌مانده آنقدر کم است که برای اکثر اهداف ساختاری (اعضای باربر) قابل قبول نیست. حتی با نسبت آب به سیمان پایین نیز به اندازه‌ای تخلخل افزایش پیدا می‌کند که حملات شیمیایی ممکن است به راحتی انجام شود. بنابراین به دلیل اثرات جانبی، سیمان نسوز برای اعضای بتنی باربر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد. اما ماده مفیدی برای تعمیر با عمر محدود و کارهای موقت است.

آب هیدراتاسیون سیمان پر آلومین حدود ۵۰ درصد وزن سیمان خشک است، یعنی حدود ۱۰۰ برابر آب مورد نیاز برای هیدراتاسیون سیمان پرتلند معمولی، اما با سیمان آلومینا بالا نسبت آب به سیمان پایین در نرخ ۰٫۳۵ می‌تواند عملی بوده و در حد مطلوب می‌شود. وقتی گیرش سریع از اهمیت حیاتی برخوردار باشد (برای جلوگیری از ورود آب یا ساخت و ساز موقتی بین جزر و مد) از مخلوط سیمان پرتلند معمولی و سیمان پر آلومین با نسبت مناسب استفاده می‌شود، اما مقاومت نهایی این نوع مخلوط‌ها بسیار کم است.

فرآیند تولید سیمان نسوز

روند تولید سیمان پر آلومین در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی متفاوت است. بوکسیت رسوبی باقی‌مانده است که در اثر هوازدگی در شرایط گرمسیری سنگ‌های حاوی آلومینیوم تشکیل می‌شود. این ماده از آلومینای هیدراته، اکسیدهای آهن و تیتانیوم و مقادیر کمی سیلیس تشکیل شده است.  

مواد مورد استفاده در ساخت سیمان نسوز کاملاً در کوره ذوب می‌شوند. به همین دلیل نسبت به سیمان پرتلند معمولی دارای خصوصیات متفاوتی است. از بوکسیت و آهک به عنوان ماده اولیه استفاده می‌شود. مواد اولیه به نسبت مورد نیاز مخلوط شده و به قطعات کوچک ۱۰۰ میلی‌متر خُرد می‌شوند. این توده‌ها در کوره تغذیه می‌شوند و تا نقطه همجوشی خود که ۱۶۰۰ درجه سانتی‌گراد است تحت گرما قرار می‌گیرند.

مواد مذاب روی صفحه فولادی می‌افتند و در کوره دوار برای خنک شدن ارسال می‌شود. این مواد که به صورت ورقه‌های شیشه‌ای هستند و کاملاً سرد شده‌اند، وارد دستگاه خُردکن شده و به قطعات کوچک‌تری به نام «کلینکر» تبدیل می‌شوند. سپس کلینکر به آسیاب سنگ‌زنی رفته و پودر می‌شود. نتیجه کل این فرآیند، تولید سیمان با آلومین بالا است.

سختی کلینکر سیمان نسوز بسیار زیاد است. از این رو مصرف برق و سایش آسیاب سنگ‌زنی بیشتر از سیمان پرتلند معمولی است. از این رو، به دلیل هزینه زیاد برق برای آسیاب، هزینه بالای سوخت برای سوختن مواد تا دمای بالا، هزینه این سیمان در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی بسیار زیاد است (حدود سه برابر).

مشخصات سیمان پر آلومین

ویژگی‌های سیمان نسوز عبارتند از:

• سیمان پر آلومین به رنگ قهوه‌ای تا خاکستری روشن است.
• زمان گیرش اولیه این سیمان چهار تا پنج ساعت و زمان گیرش نهایی حدود ۳۰ دقیقه بعد از گیرش اولیه است.
• در برابر حملات شیمیایی بسیار مقاوم است.
• سطح PH پایینی دارد.
• در برابر خوردگی شیمیایی بسیار مقاوم است.
• این سیمان مقاوم به اسید نیست، اما می‌تواند محلول‌های بسیار رقیق اسیدها (مقدار PH بیشتر از ۳٫۵ تا ۴٫۰) موجود در پساب‌های صنعتی را تحمل کند.
• این سیمان به راحتی توسط اسیدهای نیتریک، هیدروکلریک یا هیدروفلوئوریک مورد حمله قرار می‌گیرد.
• ضریب شکست این سیمان زیاد است.
• ماندگاری بالایی در اسید سولفوریک دارد.
• خاصیت سخت شدن این سیمان سریع است.
• وقتی به مواد ریخته‌گری نسوز اضافه شود، به عنوان ماده پیوند دهنده عمل می‌کند، زیرا در دمای بالا پیوند سرامیکی ایجاد می‌کند.

کاربردهای سیمان نسوز

به دلیل مقامت خوردگی بالا، این سیمان برای ساخت لوله‌های آب، لوله‌های فاضلاب، تخلیه کارخانه، سازه‌های ساحلی و دودکش‌های کارخانه استفاده می‌شود. همچنین به دلیل خاصیت سخت شدن و مقاومت سریع، به طور گسترده‌ای در ساخت و سازهای دریایی و زیرساخت‌های فاضلابی مورد استفاده قرار می‌گیرد. از کاربردهای دیگر این سیمان می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

• سیمان نسوز در بتن‌های نسوز که در دمای بسیار بالا به مقاومت بیشتری نیاز دارد نیز کاربرد دارد.
• به عنوان یک جزء در فرمولاسیون‌های مخلوط سیمان، برای خواص مختلف از جمله مقاومت فوق العاده سریع و انبساط کنترل شده مورد استفاده قرار می‌گیرد.
• در شبکه‌های فاضلاب در برابر خوردگی سولفید بیوژن- سایپرز نیاز به سیمان پرآلومین است.
• برای اهداف عایق بندی هنگامی که افزایش دما تا ۹۵۰ درجه سانتی‌گراد پیش‌بینی می‌شود، می‌توان از بتن سبک ساخته شده با سیمان پر آلومین و سنگدانه‌های سبک وزن استفاده کرد.

مزایای سیمان نسوز

مزایای سیمان آلومینا بالا به شرح زیر است:

• به دلیل کُند بودن زمان گیرش، زمان اختلاط و ریختن مخلوط نیز بیشتر است (صرف زمان کمتر).
• در برابر عمل شیمیایی مقاومت بالایی دارد.
• می‎‌تواند درجه حرارت بالا را تحمل کند.
• عمل یخ زدگی کم است، زیرا گرما در هنگام هیدراتاسیون بیشتر می‌شود.
• بسیار واکنش‌پذیر است و مقاومت فشاری بسیار بالایی دارد.
• در برابر آتش مقاومت زیادی دارد.
• بتن ساخته شده با سیمان آلومینا کارآیی بیشتری نسبت به بتن سیمان پرتلند دارد (با نسبت آب به سیمان مشابه)، به این دلیل که ذرات سیمان آلومینا سطح صاف‌تری نسبت به ذرات سیمان پرتلند دارند.

معایب سیمان پر آلومینا

معایب سیمان آلومینا بالا به شرح زیر است:

• از آنجا که گرمای مورد نیاز برای ساخت این سیمان بیشتر است، هزینه ساخت آن نیز بالاست.
• از آنجا که نرمی سیمان نسوز کمتر از ۲۲۵۰ سانتی‌مترمربع در گرم است، ذرات آن بسیار ریز هستند. بنابراین باید در زمان استفاده از چشم یا دهان خود محافظت کرد.
• از آنجا که گرما هنگام گیرش زیاد است، نمی‌توان از آن در بتن‌ریزی‌های حجیم استفاده کرد.
• این سیمان برای اعضای باربر سازه‌ای به هیچ عنوان مناسب نیست و نباید در مخلوط بتن استفاده شود.

کلام آخر

سیمان نسوز از نظر ترکیبات و برخی خصوصیات کاملاً متفاوت از سیمان پرتلند معمولی است. از این رو استفاده سازه‌ای (اعضای باربر) از آن بسیار محدود است. این سیمان برای مواقعی که مقاومت در برابر حرارت و حملات شیمیایی مورد نیاز است، کاربر دارد.