سیمان آلومینات کلسیم (Calcium Aluminate Cement - CAC)، که گاهی با نام سیمان نسوز یا سیمان پرآلومین نیز شناخته می‌شود، نوع خاصی از سیمان هیدرولیکی است که خواص و کاربردهای آن به طور قابل توجهی با سیمان پرتلند معمولی (OPC) تفاوت دارد. مهم‌ترین ویژگی‌های CAC، مقاومت استثنایی در برابر حرارت بالا و مقاومت شیمیایی عالی در برابر خوردگی اسیدی و سولفاتی است که آن را برای کاربردهای تخصصی و محیط‌های صنعتی سخت ایده‌آل می‌سازد.
۱. ترکیب شیمیایی و فرآیند تولید CAC
ترکیب و فرآیند تولید CACکاملاً متفاوت از OPCاست:
- مواد اولیه: مواد اولیه اصلی برای CAC، سنگ آهک (CaCO_3) و بوکسیت (Bauxite) یا سایر منابع غنی از آلومینا (Al_2O_3) است. برخلاف OPCکه مواد اصلی آن سیلیکات‌ها هستند، مواد اصلی CACآلومینات‌ها هستند.
- تولید کلینکر: تولید کلینکر CACدر دماهای بسیار بالاتر (1500تا 1600^circ C) یا از طریق ذوب کامل مواد اولیه در کوره‌های مخصوص و سپس خنک‌سازی سریع انجام می‌شود.
- ترکیب فاز اصلی: فازهای اصلی کلینکر CACعبارتند از:
- آلومینات مونوکلسیم (CA): CaOcdot Al_2O_3
- آلومینات دودکلسیم (C12A7): 12CaOcdot 7Al_2O_3
- آلومینات دی‌کلسیم (CA_2): CaOcdot 2Al_2O_3
نکته: فقدان فاز سیلیکات کلسیم (که جزء اصلی OPCاست) در CAC، کلید تمایز خواص آن است.
۲. خواص و مزایای عملکردی CAC
خواص منحصر به فرد CACدر بتن، آن را برای محیط‌های پرچالش ضروری می‌سازد:
الف) مقاومت در برابر حرارت بالا (نسوز بودن)
- تشکیل فاز مقاوم: هیدرات‌های CACدر دمای محیط تشکیل می‌شوند، اما وقتی در معرض دماهای بالا قرار می‌گیرند، آب خود را از دست داده و فازهای نسوز (Refractory) جدیدی مانند فازهای سرامیکی آلومینا و اسپینل را شکل می‌دهند.
- کاربرد: این سیمان می‌تواند در دماهای عملیاتی تا 1200درجه سانتی‌گراد و حتی بالاتر (هنگامی که با سنگدانه‌های نسوز خاص ترکیب شود) پایداری خود را حفظ کند، در حالی که بتن‌های OPCدر دمای بالاتر از 300^circ Cاستحکام خود را از دست می‌دهند.
ب) مقاومت شیمیایی بالا
- مقاومت اسیدی: بتن‌های CACبه دلیل عدم وجود هیدروکسید کلسیم (CH)، که در OPCدر برابر اسیدها آسیب‌پذیر است، مقاومت بسیار بالایی در برابر حملات اسیدی (مانند فاضلاب‌های صنعتی، محیط‌های شیمیایی و خورنده) دارند.
- مقاومت سولفاتی: فازهای هیدراتاسیون CACدر برابر تشکیل اترینگایت و تخریب ناشی از حملات سولفاتی بسیار مقاوم‌تر از فازهای OPCهستند.
ج) کسب مقاومت سریع
CACبه سرعت با آب واکنش می‌دهد و در عرض 6تا 24ساعت به استحکام‌های بسیار بالا می‌رسد. این خاصیت در کاربردهایی که نیاز به بازگشت سریع به کار دارند (مانند تعمیرات اضطراری جاده‌ها، تونل‌ها، یا فرودگاه‌ها) بسیار ارزشمند است.
۳. چالش‌ها و محدودیت‌ها: پدیده تبدیل (Conversion)
مهم‌ترین چالش CACپدیده تبدیل (Conversion) است:
- ماهیت پدیده: هیدرات‌های آلومینات کلسیم که در دمای پایین تشکیل می‌شوند (مانند CAH10)، ناپایدارند. در دماهای بالاتر از 25^circ C، این فازها به فازهای پایدارتر و متراکم‌تر (مانند C3AH6 و آلومینای هیدراته) تبدیل می‌شوند.
- اثر مخرب: این تبدیل فاز منجر به کاهش حجم فضاهای خالی (تخلخل) می‌شود که می‌تواند باعث کاهش استحکام و افزایش نفوذپذیری بتن در شرایط محیطی عادی (غیر نسوز) شود.
- راهکار: به دلیل خطر کاهش استحکام ناشی از تبدیل، CACنباید در کاربردهای سازه‌ای عمومی که دما به طور مداوم بالاتر از 25^circ Cاست، استفاده شود، مگر اینکه به عنوان بخشی از یک سیستم نسوز طراحی شده باشد.
۴. کاربردهای تخصصی CACدر سازه‌های صنعتی
حوزه کاربرد | نقش CAC | مزیت عملکردی |
صنایع فولاد و ذوب | مواد نسوز (Refractory Castables) | سیمان با سنگدانه‌های آلومینا برای ساخت دیواره‌های کوره، پاتیل‌ها و آسترهای محافظ حرارتی. |
پتروشیمی و شیمیایی | پوشش‌های مقاوم شیمیایی | در کف‌ها، کانال‌ها و دیواره‌های مخازن که در معرض اسیدهای ضعیف، آب شور یا مواد شیمیایی خورنده قرار دارند. |
فاضلاب و تونل‌ها | ملات‌ها و بتن‌های مقاوم | مقاومت در برابر محیط‌های حاوی اسید سولفوریک (ناشی از فعالیت باکتری‌ها) در خطوط فاضلاب. |
نفت و گاز | سیمان‌کاری چاه‌های زمین‌گرمایی | به دلیل مقاومت در برابر دماهای بسیار بالا و نیاز به گیرش سریع در اعماق زمین. |
تعمیرات اضطراری | ملات‌های زودگیر | ترمیم باند فرودگاه، سطوح جاده‌ها و فونداسیون ماشین‌آلات در زمان کوتاه. |
به طور کلی، CAC یک سیمان با کارایی فوق‌العاده است که جایگاه آن در نبردهای شیمیایی و حرارتی در صنایع سنگین است و یک جایگزین مستقیم برای OPCدر ساخت و ساز عمومی نیست.
