Kalcium-aluminát

A kalcium-aluminátot gyakran használják olyan betonokban, ahol gyors szilárdságfejlődésre van szükség, valamint korrózió-, kopás- és hőállóság biztosítása céljából.

Ebből az anyagból készült speciális kötőanyagokat az építőipari vegyiparban, a tűzálló anyagok gyártásában és az építőiparban történő felhasználásra gyártanak. Kiváló korrózióállóságot (különösen a szulfátok hatásával szemben), kopásállóságot és magas hőmérsékleti ellenállást mutat, miközben gyors kötési tulajdonságokkal rendelkezik.

Felhasználási területek

A kalcium számos ipari és építőipari vegyi termék elengedhetetlen alkotóeleme, az építőipari habarcsoktól és a cementgyártástól kezdve az építőipari vegyi termékek és tűzálló anyagok előállításáig. A kalcium emellett egyedülálló tulajdonságokkal rendelkezik, amikor speciális kötőanyagként használják bizonyos alkalmazásokban – a korrózió-, kopás- és hőállóság, valamint a gyors kötési idő kombinációja miatt a kalcium sok szempontból kivételes összetevőnek számít.

A szennyvízkezelési alkalmazásokra kifejezetten kifejlesztett kalcium-aluminát cementek jó példák az e területen alkalmazott nagy teljesítményű anyagokra. Az ilyen alkalmazásokhoz általában olyan betonra van szükség, amely ellenáll a (baktériumok tevékenységéből eredő) savképződésnek és a kopásnak.

A kalcium-aluminát cementek különféle keverési technikákkal állíthatók elő. A kalcium-aluminát cementkeverék előállításának egyik receptje szerint portlandcementet, salakot, könnyű mésztartalmú anyagot és adalékanyagokat kevernek össze 24 órás felhasználásra, ami gyors szilárdságfejlődéssel járó, gazdaságos javítási módszert eredményez.

Ezen felül a speciális cementek további előnyöket nyújtanak olyan magas hőmérsékletű környezetekben, ahol a hagyományos cement gyorsan lebomlana. Az ilyen környezetekkel szembeni ellenállóképességüket az alumináltartalmuk határozza meg; a legalább 40% alumínium-oxidot tartalmazó termékek (például az Isidac40 vagy a Recipro50) 1450degC hőmérsékletig bizonyultak stabilnak.

Az V-típusú portlandcement alacsony koncentrációban tartalmaz kalcium-aluminátot, ami növeli a szulfátok hatásával szembeni ellenállóképességét, így különösen alkalmas olyan hídpálya-burkolóanyagként való felhasználásra, amely erős forgalomnak vagy nagy terhelésnek van kitéve.

Fontos megjegyezni, hogy a speciális cementek optimális teljesítményének elérése érdekében megfelelően ki kell keményedniük, különféle keményedési technikák – például vízpermet, vízpor, álló víz vagy nedves zsákvászon – alkalmazásával. Ezenkívül a betont – a portlandcementes betonhoz hasonlóan – ki kell önteni és el kell simítani, majd legalább 10 percig géppel rázkódtatni kell az egyenletes tömörödés és a kielégítő teljesítmény biztosítása érdekében.

Tulajdonságok

A kalcium-aluminát cement tulajdonságai az alumínium-oxid-tartalom mértékétől függően jelentősen eltérnek. Az alumínium-oxid-tartalmú termékek gyakran nagyobb korrózióállóságot mutatnak, mint az alacsonyabb tartalmúak. A magas alumínium-oxid-tartalom javítja a magas hőmérsékleten fennmaradó szilárdságot is. Az alumínium-oxid további hozzáadását azonban a lehető legkisebb mértékre kell korlátozni, mivel a túlzott mennyiség befolyásolhatja a kalcium-oxid (CaO) hidratációs folyamatok során történő kialakulásának sebességét.

A kalcium-aluminát – amelynek neve is erre utal – lúgos szerkezetű, ezért jól ellenáll a savas hatásoknak, így alkalmas csőbélésként és bevonatként szennyvízrendszerekben való felhasználásra. Ezenkívül gyakran alkalmazzák javítóhabarcsként olyan területeken, ahol savas környezetnek vannak kitéve, például baromfitenyésztő telepeken, bőrgyárakban és egyéb ipari létesítményekben.

A kalcium-aluminát különböző formákban kapható, a portól és a granulátumtól kezdve a porig. Az American Elements gyártási célokra – amennyiben alkalmazható – a következő formátumokban kínálja a kalcium-aluminátot a standard minőségi osztályai részeként: Mil Spec/ACS reagens és műszaki minőség, élelmiszeripari/mezőgazdasági/gyógyszeripari minőség, valamint USP/EPBP (Európai Gyógyszerkönyv/Brit Gyógyszerkönyv).

A kalcium-aluminát gyártásánál általában két fő eljárást alkalmaznak: a szinterelést és az olvasztást. A szennyvízkezelés területén gyakran olyan kalcium-aluminát cementeket használnak, amelyeket az utóbbi eljárással állítottak elő; ennek során a nyersanyagokat arányosan adagolják a kemencébe, majd összeolvasztják őket, hogy keletkezzen a klinker, amelyet később különböző szemcseméretű frakciókra őrölnek.

A klinkert ezután más nyersanyagokkal keverik össze, hogy kalcium-aluminát-alapú betontermékeket állítsanak elő; ezek közül a legnépszerűbbek azok, amelyek legalább 40 százalék alumínium-oxid-tartalommal rendelkeznek; az alacsonyabb, például 20 százalékos tartalommal rendelkező termékek nem biztosítanak olyan hatékony korrózióállóságot és kezdeti szilárdság-növekedési sebességet.

Ezek a termékek magas alumínium-oxid-tartalommal rendelkeznek, ami lehetővé teszi a kalcium-aluminát hidratációs folyamatainak gyors lezajlását, így az anyag a gyártás után hamarosan felhasználhatóvá válik. Ez a tulajdonság különösen hasznos lehet olyan alkalmazásokban, mint a szuszpenziós keverékek és az előregyártott elemek, ahol a korai szilárdságnövekedés döntő fontosságú lehet a projekt sikeréhez.

Alkalmazások

A kalcium-aluminát cementeket általában speciális kötőanyagként használják tűzálló anyagok, építőipari vegyszerek és az építőipar területén olyan alkalmazásokban, ahol korrózió-, kopás- és hőállóságra van szükség. Emellett betonkeverékekbe is keverhetők a gyors kötési idő és a korai szilárdság kialakulásának elérése érdekében.

A cementeket úgy állítják elő, hogy magas hőmérsékleten reakcióba hozzák a mészkő, bauxit vagy mész és alumínium-oxid keverékét magas hőmérsékleten, így kalcium-aluminát klinker keletkezik, amelyet finom porrá őrölnek, majd vízzel kevernek össze, ami rendkívül gyors hidratációs reakciót vált ki, amely korai szilárdságot eredményez – a végső szilárdságot a keverés után 24 órán belül éri el.

A cement nemcsak gyors kezdeti szilárdságot biztosít, hanem hővezető képessége is rendkívül alacsony – így ideális olyan környezetekben, ahol a hőmérséklet idővel emelkedhet, például acélgyártó kemencékben vagy más magas hőmérsékletű folyamatok során.

A cementet bélésanyagként vagy javítóanyagként is fel lehet használni a szennyvízkezelő infrastruktúrákban, különösen a biogén szulfidkorrózió ellen – amely egyre gyakrabban jelentkező probléma a csatornahálózatokban. A szennyvízszállításra használt öntöttvas csöveket és a csatornahálózatokban alkalmazott betoncsöveket cementtel lehet bélelni a kopás-, sav- és biogén szulfidkorrózióval szembeni ellenállóképesség javítása érdekében.

Ezek a bélésrétegek új vagy meglévő dúctilvas- és betoncsövekre, aknákra és egyéb szennyvíz-infrastruktúra-elemekre alkalmazhatók, hogy hosszú távú, tartós védelmet nyújtsanak a szennyvízben található szulfidot lebontó aerob baktériumok által okozott H₂S-képződés ellen. Ezenkívül védelmet nyújtanak azoknak a csőszakaszoknak is, ahol H₂S képződik, és amelyeken esetleg javítási munkálatokra kerül sor.

A Bisley forgalmazza a Calucem kalcium-aluminát cementeket (CAC), amelyeket a világ második legnagyobb olvasztott kalcium-aluminát- és tűzálló anyag-gyártója állít elő, és amelyeket különféle építőipari termékekben használnak, többek között önterülő esztrichokban, nagy szilárdságú habarcsokban, csőbélelő megoldásokban, valamint felújítási habarcsokban. Ezeket önállóan, illetve két- vagy háromkomponensű rendszerek részeként is fel lehet használni.

Gyártás

A kalcium-aluminát-cement előállításához a nyersanyagokat – például a kalcinált bauxitot és a mészkövet – magas hőmérsékleten egy forgó lángkemencében meg kell olvasztani, hogy klinker keletkezzen, amelyet később finomra őrölnek, mielőtt különböző alkalmazásokban felhasználnák.

Két figyelemre méltó alkalmazási terület, amely ezt a szempontot szemlélteti, a szennyvízcsövek bélésanyagai – ahol a baktériumok kénsavat termelnek –, valamint a vízerőmű-gátak, ahol a kopásállóság kulcsfontosságú. Mindkét alkalmazási terület jól illusztrálja, hogy a tartósság nem általánosítható a szilárdságból, hanem azt kifejezetten a használati körülményekhez kell igazítani.

Az ilyen alkalmazásokhoz olyan cementre van szükség, amely egyszerre stabil és reaktív szabályozott, és amelynél a különböző fázisok hidratációja kulcsfontosságú. Ebben a tanulmányban a CA, CA2 és C12A7 hidrátokat SEM-mel és röntgendiffrakcióval jellemezték, kereskedelmi forgalomban kapható cementet használva referenciaként, mielőtt az azokból készült pasztákon hasító szakítószilárdsági vizsgálatokat végeztek.

Az aluminát-részecskék mérete és alakja döntő szerepet játszik a víztartalmú vegyületekkel való reakcióképességük meghatározásában, amint azt az 1. ábrán látható SEM-mikrofelvételek is szemléltetik. A hőkezelés hőmérsékletének változtatása drámai változásokat okoz a részecskék morfológiájában; a részecskeméret csökkentése és a felületi terület növelése növeli a vízhidratációs képességet, míg a részecskeméret egyidejű csökkentése lassítja a más hidratációs anyagokkal, például a vas-vegyületekkel való reakció sebességét.

A kalcium-aluminát cementek kiváló mechanikai tulajdonságokkal, valamint jó kopás- és szulfátállósággal rendelkeznek, ami vonzó választássá teszi őket olyan alkalmazásokban, ahol ilyen specifikus tulajdonságokra van szükség. Ezekben az alkalmazásokban az aluminátot portlandcementtel kombinálják különböző építőipari vegyi termékekben, például csemperagasztókban, fugázóanyagokban és gyorskötésű padlóeszközökben, így építőipari vegyi megoldásokat hozva létre. A tűzálló építkezések során az aluminátot más tűzálló anyagokkal, például repülőhamuval, salakkal és könnyű mésztartalmú anyagokkal kombinálják olyan cementek előállításához, amelyek magas hőmérsékleten is stabilak, kiváló reaktivitással, kopásállósággal és szulfátállósággal rendelkeznek. Ezen felül az ilyen cementek kiváló endodontikus helyreállító anyagok, mivel kémiai és mechanikai gátként működnek a baktériumok endodontikus csatornákba történő mikroszivárgása ellen.