*** سیمان نسوز ***

جزء اصلی تشکیل دهنده سیمان پرتلند که در کار های ساختمانی استفاده می شود ترکیبات آهک سیلیس (کلسیم سیلیکات) است. در سیمان های نسوز که به سیمان آلومینی و سیمان کلسیم آلومینات هم معروف اند، ترکیبات آهک-آلومینا جزء اصلی را تشکیل می دهند. سیمان نسوز وقتی با آب مخلوط می شود هیدراتهای کلسیم آلومینات شکل می گیرند. حین هیدراته شدن این سیمان بر خلاف سیمان پرتلند، آهک آزاد [Ca(OH)2] به وجود نمی آید. آنچه این نوع سیمان را از سیمان پرتلند متمایز می سازد خواص زیر است:

1. بتن این سیمان در درجات حرارت بالا مقاومت مکانیکی خود را حفظ می نماید و بر خلاف سیمان معمولی مقاومت خوبی در برابر شوک حرارتی و متلاشی شدن از خود نشان می دهد. به این دلیل در صنعت نسوز برای تولید جرم های سبک(عایق) و سنگین نسوز کاربرد دارد.
2. زمان گیرش سیمان نسوز فوندو تقریبا معادل سیمان پرتلند معمولی است، اما بسیار سریع تر سخت می شود. مقاومت فشاری سیمان فوندو پس از شش ساعت حدودا ۳۰۰ کیلوگرم بر سانتی متر مربع است. خواص این سیمان ۲۴ ساعت پس از استفاده معادل سیمان معمولی است که بعد از ۲۸ روز بدست می آید. از این رو در کارهای تعمیراتی که زمان به کارگیری مجدد محل مهم است مثل باند فرودگاه، جاده ها و پل ها و فونداسیون دستگاه ها، از این خاصیت به خوبی می توان استفاده کرد.
3. در اثر سخت شدن سریع سیمان نسوز فوندو، گرمای زیادی تولید می شود که آن را مناسب کاربرد در هوای سرد تا °c 10- می نماید.
4. سیمان نسوز فوندو در برابر مواد خورنده بسیاری مقاوم است از جمله: آب دریا، آب های اسیدی و سولفاته، آب خالص، اسید ها با PH  ۴ – ۳.۵٫ از خاصیت مقاومت این سیمان در برابر خورندگی اسید سولفوریک بیوژنیک سال ها است در لوله های فاضلاب شهری و صنعتی استفاده می شود.
5. بتن ساخته شده با سیمان نسوز فوندو و دانه های مناسب مقاومت بسیار زیادی در برابر ضربه و سایش از خود نشان می دهد. از این رو برای کف سالن های صنعتی مناسب است.
6. واکنش پذیری بالای سیمان فوندو بتنی به وجود می آورد که در مدت کمتر از ۴۸ ساعت رطوبت باقی مانده در آن به کمتر از ۳ درصد می رسد. در مقام مقایسه، بتن های معمولی هفته ها طول می کشد تا رطوبتشان به این حد برسد. این موضوع وقتی اهمیت دارد که بخواهیم روی کف بتنی را بدون فوت وقت با رزین اپوکسی، رنگ، پارکت، چسب، یا کاشی بپوشانیم.

** کاربرد کلسیم آلومینات در تاسیسات و سازه های فاضلابی **

مشکل خوردگی به دلیل حمله داخلی از مایعات خورنده مانند فاضلاب و پساب صنعتی در بسیاری از کشورها فراگیر است. هر مقدار که زباله های مایع غلظت بیشتر و بیشتری پیدا می کنند، استفاده از مصالح مقاوم در برابر مواد شیمیایی اهمیت بیشتری پیدا می کند. این موضوع با استفاده از ملات های مبتنی بر سیمان کلسیم آلومیناتی 40/50 (چغر) قابل دستیابی است. عدم وجود آهک آزاد و مواد دیگر که حساس به سولفیت هستند، سیمان های کلسیم آلومینی را قادر می سازد تا به عنوان یک ماده بسیار مناسب برای راه حل های طولانی مدت استفاده شوند. مناسب بودن چغر در تاسیسات فراوری و لوله های فاضلاب طی چند دهه ثابت شده است. مقاومت بالا در برابر فاضلاب، مقاومت فوق العاده در برابر سایش و مقاومت بالا به خوردگی توسط اسید سولفوریک، چغر را به یک ماده ایده آل برای ساخت و ساز تبدیل کرده است.

مکانیزم خوردگی

چرا انتخاب سیمان کلسیم  آلومینی برای کاربری فاضلاب ؟

حمله باکتریوژنیک اسیدی یک مشکل جدی در فاضلاب است که در لوله های نیمه پر اتفاق می افتد (شکل 1). باکتری های بی هوازی موجب کاهش سولفات در پساب شده و منجر به تشکیل سولفید هیدروژن (H2S) می شوند. سولفید هیدروژن به فضای لوله فاضلاب فرار کرده و پس از آن به دلیل پدیده همرفت به تاج لوله ها منتقل می شود.

در این هنگام، این گاز به سولفور اکسید می شود و یا در رطوبت حل شده، به شکل اسید سولفوریک (H2SO4) در می آید. هر دو گونه گوگرد، برای گروه دوم باکتری های هوازی مواد مغذی هستند. این عمل باکتریایی که اسید سولفوریک تولید می کند به عنوان خوردگی بیوژنیک اسید سولفوریک[1] (BSAC) شناخته می شود.

اسید سولفوریک به ملات سیمان پرتلند حمله کرده و با حل Portlandite ( CA(OH)₂ ) و فازهای کلسیم سیلیکات هیدراته، ژل سیلیکا به جای می گذارد. آسیب شدیدی که در لوله های فاضلاب ناشی از پدیده BSAC بوجد می آید در شکل 2 نشان داده شده است.

شکل 2لوله تحت حمله خوردگی بیوژنیک

نتایج تست با سیمان کلسیم آلومینی برای کاربری فاضلاب

خوردگی بیوژنیک اسید سولفوریک

یک تست با صرفه جویی زمانی توسعه داده شده است که به شکل تکرار پذیری تاثیر BSAC بر بتن را در سیستم های آب و فاضلاب نشان می دهد. به عنوان اولین قدم سلول های تیوباسیلوس تیواکسیدان ها[2] توسط تخمیر کشت می شوند. سپس باکتری تولید شده به همراه یک محلول غذایی را در یک راکتور شیشه ای زیستی پمپ می شود که در آن قطعه های ملات بتنی در اندازه های 10 × 10 × 60 میلی متر نگهداری می شوند. راکتور زیستی حرارت داده می شود تا باکتری ها به رشد مطلوب خود برسند. تمام سطح قطعه های ملات به سرعت تحت پوشش یک فیلم زیستی قرار می گیرد که در آن حمله بیوژنیک اسید سولفوریک اتفاق می افتد. باکتری ها اسید سولفوریکی با pH = 1 بوجود می آورند.

قطعه ها به صورت ماهانه برای اندازه گیری کاهش وزن پس از تمیز کردن در حمام اولتراسونیک خارج می شوند. شکل 4 ظاهر قطعات ملات های ساخته شده از جنس سیمان معمولی و سیمان کلسیم آلومینی را پس از 72 ساعت نگهداری در راکتور نشان می دهد.

شکل 3کاهش وزن قطعات ساخته شده از ملات سیمان عادی و کلسیم آلومینی

ملات بر پایه سیمان کلسیم آلومینی 8 برابر کاهش وزن کمتری نسبت به ملات سیمان  سیمان پرتلند  نشان می دهد. آلومینیوم از سیمان کلسیم آلومینی به عنوان فاکتور کند کننده رشد باکتری ها شناخته شده است. بنابراین، سیمان کلسیم آلومینی برای کاهش خوردگی بتن برای کاربردهای فاضلاب به خوبی استفاده می شود.  نتایج بالا با تجارب استفاده از سیمان کلسیم آلومینی در  کاربری تاسیسات و لوله های فاضلاب که از دهه 1940 میلادی تاکنون ادامه داشته است همخوان است.سیمان های کلسیم آلومینی به وضوح دارای مقاومت بالایی نسبت به خوردگی بیوژنیک اسید سولفوریک (BSAC) هستند.

تست خوردگی اسیدی ملات سیمان کلسیم آلومینی

ملات کلسیم آلومینی تیپ 40% آلومینا در برابر خوردگی اسیدی تست شده و با ملات سیمان پرتلند معمولی مقایسه شده است. دو مجموعه مکعب شکل از ملات ها با ابعاد 100 × 100 میلیمتر و ارتفاع های مختلف تولید شده است. 65 میلی متر، 70 میلی متر و 75 میلی متر. مجموعه شماره یک با سیمان کلسیم آلومینی تیپ 40% آلومینا و دانه بندی سیلیسی (2/8 میلی متر و 8/16 میلی متر به منظور افزایش خوردگی ماتریس سیمان) ساخته شده بود. مکعب های سیمان پرتلند هم با 65 میلی متر برای مقایسه با همان نوع از دانه بندی ساخته شده بودند.

شکل 4ملات کلسیم آلومینی (سمت چپ ) و ملات سیمان پرتلند عادی (سمت راست) بعد از 72 ساعت در معرض اسید سولفوریک 10%

تغییر وزن ملات های سیمان کلسیم آلومینی و  سیمان پرتلند پس از پس از غوطه وری 10٪ اسید سولفوریک برای 24 و 48 ساعت اندازه گیری شدند.شکل 4 مقایسه مکعب های با ارتفاع 65 میلی متر ساخته شده از سیمان کلسیم آلومینی و  سیمان پرتلند را نشان می دهد. تا همین جا، اسید سولفوریک درگوشه ها و حاشیه مکعب  سیمان پرتلند خورده شده  است. همچنین دانه های درشت دانه بندی هم در سطح قابل مشاهده است. با این حال نمونه ملات کلسیم آلومینی بعد از 72 ساعت قرار گرفتن در 10٪ اسید سولفوریک، تقریبا هیچ نشانه ای از خوردگی ندارد.

تغییر وزن همه نمونه های ملات کلسیم آلومینی 4 برابر از تغییر وزن مکعب های ساخته شده از سیمان پرتلندکمتر است. مکعب ملات سیمان پرتلند، کاهش وزنی در حدود 1.3٪ را نشان می دهد. اما تمام مکعب های ساخته شده از ملات کلسیم آلومینی ساخته شده با همان نوع دانه بندی، تقریبا هیچ تغییری در وزن نشان نمی دهد. نتایج، نشان دهنده عملکرد عالی ملات کلسیم آلومینی در برابر 10٪ اسید سولفوریک تحت شرایط آزمون می باشد.

شکل 5کاهش وزن ملات پرتلند عادی و کلسیم آلومینی

تجربه با سیمان کلسیم آلومینی در کاربری فاضلاب

مقاومت بالا در برابر فاضلاب، مقاومت در برابر سایش فوق العاده و مقاومت بالا در برابر خوردگی بیوژنیک توسط اسید سولفوریک، سیمان های کلسیم آلومینی را مواد ایده آلی برای ساخت و ساز در بخش های زیر نموده است:

• پوشش خطوط لوله فاضلاب (نوع ریخته گری داکتیل (لوله چدنی)
• پوشش خطوط لوله فاضلاب، نوع بتنی
• لوله ها و تصفیه خانه های فاضلاب

لوله های چدن داکتیل ریخته گری

لوله های چدن داکتیل ریخته گری به مدت چندین دهه در بخش فاضلاب استفاده شده است. برای تضمین عمر طولانی مدت، آنها را با یک آستر داخلی از ملات کلسیم آلومینی پوشش می دهند. استحکام این ملات ها و مقاومت به سایش بالای آنها در برابر فاضلاب خورنده منجر به حفاظت لوله در برابر خوردگی و حفظ بهره وری از این لوله ها برای دهه ها شده است. به اصطلاح “آستر”[3] ساخته شده از ملات سیمان کلسیم آلومینی  است که توسط یک روش پاششی گردان[4] یا روش گریز از مرکز اعمال می شود، استحکام ساختاری بالای خود را با استفاده از ساختار بسیار متراکمی که در طی این فرایند چرخشی بدست می آید توسعه می دهد، که همچنین منجر به استحکام بسیار بالای ملات می شود.. سطح استحکام ملات های سیمان کلسیم آلومینی، به وضوح نسبت به ملات های سیمان پرتلند معمولی و سرباره ای بالاتر است.

افزایش مقاومت در برابر سولفات، در مقایسه با سیمان پرتلند معمولی (OPC) است، به دلیل عدم حضور فاز C3A و همچنین

شکل 6لوله های چدن ریخته گری با لاینر ملات کلسیم آلومینی

عدم وجود آهک آزاد در سیمان کلسیم آلومینی است. ملات کلسیم آلومینی چغر، مقاومت در برابر سولفات بالاتری از سیمان پرتلند معمولی و همچنین سیمان پرتلند سرباره ای (سیمان های HS ) دارد. مقاومت در برابر سولفات بالا و تراکم شدید ملات سیمان کلسیم آلومینی، از لوله های ریخته گری شده در برابر تماس با مایعات خورنده حفاظت می کند. قلیائیت بالای ملات سیمان کلسیم آلومینی تضمین بالایی برای حفاظت خوب در برابر زنگ زدگی هم هست.

با توجه به خواص ممتاز این ملات، لایه ای تنها چند میلی متری از آن برای مقاومت موثر و پایدار در برابر چند دهه سایش و فرسایش کافی است.

خوردگی بیوژنیک توسط اسید سولفوریک به عنوان نتیجه ای از اثر مواد شیمیایی فاضلاب بر لوله های بتنی ساخته شده بر پایه سیمان پرتلند هم موجب آسیب سیمان شده، و به طور بالقوه آنها را نابود می کند. باکتری هایی که از گوگرد فاضلاب مانند H2S تغذیه می کنند، اسید سولفوریک نیز به عنوان یک محصول جانبی متابولیکی تولید می نمایند. این اسید بتن بالاتر از سطح آب را بین می برد.

شکل 7لوله بتنی از جنس بتن سیمان پرتلند معمولی با پوشش ملات کلسیم آلومینی

به همین دلیل، ثابت شده است که کاربرد سیمان کلسیم آلومینی در فاضلاب های صنعتی در بیش از 50 سال، به عنوان محافظت در برابر خوردگی بیوژنیک توسط اسید سولفوریک موفق می باشد. در ترکیب با دانه های مناسب انتخاب شده و مواد افزودنی، سیمان کلسیم آلومینی راه حل قابل اعتمادی برای استفاده در لوله های بتنی در بخش فاضلاب برای چندین دهه است. سیمان کلسیم آلومینی می تواند به عنوان پوشش، ملاتی برای تعمیرات و یا به عنوان یک لوله کامل بتنی استفاده شود.

شبکه فاضلاب، تصفیه خانه های فاضلاب

موفقیت سیمان کلسیم آلومینی در شفت های دسترسی فاضلاب، در حامل های انتهایی خطوط لوله پر فشار و در حوضچه های
فراوری ثابت شده است، و همچنین کارایی خود را نسبت به بتن ها و ملات های رایج اثبات کرده است.

شکل 8شافت دسترسی لوله فاضلاب ساخته شده از ملات کلسیم آلویمینی
ملات های کلسیم آلومینی را می توان به شکل شاتکریت ( پاششی)، ترکیبات خود تراز شونده و یا بتن های پمپ شونده اجرا کرد. ملات کلسیم آلومینی چغر، به شکل یک لایه پوشش دهنده[5] برای لوله ها و محفظه ها در نقاطی که خوردگی بیوژنیک توسط اسید سولفوریک ممکن است اتفاق بیافتد استفاده می شود.

شکل 9 نمونه یک منهل خورده شده در شبکه فاضلاب

مزایا

ملات های کلسیم آلومینی در مقایسه با رزین های اپوکسی، پوشش روی و دیگر سیمان های ویژه از نظر هزینه مقرون به صرفه تر هستند. در حال حاضر ملات های کلسیم آلومینی در کاربری های فاضلاب تا بیش از 20 سال مورد استفاده بوده اند. علاوه بر استحکام مکانیکی خوب، مقاومت سایشی بالا، سهولت برای تعمیر و خرابی کمتر، ملات های کلسیم آلومینی خواص منحصر به فرد و برجسته ای برای کاربری های فاضلاب ارائه می دهد که برخی از آنها به شرح زیر می باشد:

• مقاومت در برابر خوردگی آهن عالی
• مقاومت در برابر سایش فوق العاده
• مقاومت در برابر خوردگی بیوژنیک
• مقاومت در برابر سولفات
• استحکام بالا