انواع بایندر
بایندر وظیفه اتصال ترکیب پودر را بعد از فرایند نصب و خارج کردن از قالب به شکل نهایی داشته و استحکام خام به بدنه میدهد تا قابلیت جابجایی قطعه خام تامین شود. بایندرها بسته به نوع اتصال به چهار دسته هیدرولیکی، شیمیایی، آلی و باند سرامیکی (رس/زینتر) تقسیم میشوند. بایندهای هیدرولیکی، شیمیایی و آلی مربوط به اتصال سرد در سیستم های بدون گرمایش است. اتصال سرامیکی جز اتصال گرم محسوب شده و اتصال نهایی در محل نصب با گرمایش است. فرایند زینترینگ در دمای ۸۰۰ درجه سلسیوس و بالاتر بسته به ترکیب شیمیایی شروع میشود. برای باندهای سرد در محدوده دمایی ۶۰۰-۲۰۰ درجه سلسیوس و برای اتصال گرم در دمای بالا ۸۰۰ درجه سلسیوس شکل گیری استحکام انجام میشود. معمولترین بایندرهای اتصال سرد در دیرگدازها به شرح زیر است:
- سیمانهای آلومینا بالا (هیدرولیکی)
- بایندر آلومینا (بدون کلسیم و هیدرولیکی)
- بایندر فسفاتی (شیمیایی)
- اب شیشه (شیمیایی)
- بایندر آلی(آلی)
بزرگترین گروه اتصالهای هیدرولیکی به ترتیب مربوط به سیمانها بوده و در ادامه شامل فسفاتی و آب شیشه میشود.
تاریخچه سیمان نسوز
سیمانهای نسوز جز دسته سیمانهای غیرپرتلندی با میزان آلومینای بالاتر از سیمان پرتلند هستند. سیمانهای الومینا بالا متشکل از الومینا بالای ۷۰% و مابقی با کمتر از ۲۸%CaO است. تفاوت مینرالهای سیمان پرتلند و سیمان نسوز در دیاگرام فازی سه تایی قابل مشاهده است. سیمان پرتلند در محدوده CaO بالا و سیمانهای نسوز در محدوده الومینا بالا با CaO و SiO2 پایین است.
در سال ۱۸۹۸ شخصی به نام باید[Bied] متوجه شد که انبساط و تخریب بتن های حاوی سیمان پرتلند در برخی مناطق و در کف دریا به دلیل حمله شیمیایی سولفاتها رخ می دهد و سپس سال های زیادی را صرف تحقیق برای ساخت سیمان های مقاوم در برابر این حملات شیمیایی نمود. در نهایت به این نتیجه رسیدند که سیمان های بر پایه کلسیم آلومینات می توانند به جای سیمان های حاوی کلسیم سیلیکات (سیمان پرتلند) جایگزین شوند و مشکل عدم مقاومت شیمیایی سیمان های پرتلند را از بین ببرند. کارهای آزمایشگاهی این فرد در سال ۱۹۰۸ منجر به ساخت یک کارخانه برای تولید سیمان آلومینا بالا از ترکیب بوکسیت و آهک شد و این محصول با کیفیت مطلوبی در سال ۱۹۱۸ تولید شد. اما آزمایشات و تمهیدات گران قیمتی جهت تکمیل کار نیاز بود که توسط کمپانی لافارژ دولت فرانسه انجام شد و سرانجام این سیمان به شکل تجاری در سال های ۱۹۱۸-۱۹۲۰ به بازار وارد شد. اگرچه تحقیقات اولیه براساس مقاومت شیمیایی در برابر حمله سولفاتها صورت گرفت اما خواصی چون گیرش سریع و استحکام بالا باعث شد این سیمان به مقادیر زیاد در جنگ جهانی اول برای ساخت ساختمان های مهمات سازی و پناهگاه ها مورد استفاده قرار گیرد. نهایتا بهینه کردن خواص سیمان به دست آمده طی سال های ۱۹۰۶ تا سال ۱۹۵۱ ادامه یافت که در این سال تولید سیمان نسوز با آلومینای بالا توسط شرکت لافارژ فرانسه آغاز شد. تا اوایل دهه ۱۹۵۰ سیمانهای الومینا بالا تجاری ناخالصی های زیادی مثل سیلیس و اکسید اهن داشتند که این ناخالصی ها کاربرد را فقط به دمای پایین محدود کردند. در اواخر دهه ۱۹۵۰سیمانهای کلسیم الومیناتی با الومینای بالا و خلوص بالا برای کاربردهای دما بالا گسترش یافت.
فازهای سیمان کلسیم آلومیناتی
مواد اولیه برای تولید سیمان آلومینا بالا، آلومینای خلوص بالا به همراه آهک است. مواد اولیه بعد از مخلوط شدن تحت زینترینگ قرار می گیرند و کلینگر سیمان تولید شده و نهایتا بعد از آسیاب سیمان آماده مصرف میشود. فازهای کلسیم آلومیناتی تشکیل شده در کلینگر تعیین کننده خواص سیمان است. فازهای کلسیم آلومیناتی متداول در این دسته سیمانها عبارتند از: CA- CA2-C3A- CA6-C12A6 . C و A به ترتیب بیانگر CaO و AL2O3 هستند. فازهای اصلی در سیمانها با آلومینای بالای ۷۰%، CA و سپس CA2 می باشند.
هیدراسیون فازها
هنگام مخلوط شدن با آب، فازهای هیدرولیکی سیمان شروع به انحلال کرده و محلول اشباعی از یونها را بوجود می آورند. مرحله اول هیدراسیون گرمازا بوده و یونهای Ca2+ و Al(OH)4– با حلالیت بوجود می آیند. با رسیدن به مرحله فوق اشباع از یونهای Ca2+ و Al(OH)4– جوانه زنی شروع میشود. در مرحله جوانه زنی، رسوب چشمگیر و رشد نمونه های هیدراته رخ میدهد. جوانه زنی و رشد کریستالی محصولات هیدراته شبکه درهم تنیده ای را ایجاد میکند و باعث گیرش شده و استحکام ایجاد میکند. سرعت هیدراسیون به میزان آب، دما و نسبت بستگی داشته و با کاهش این نسبت، هیدراسیون کاهش می یابد. گسترش فرایند هیدراسیون و ایجاد فازهای هیدراته و تکشیل شبکه در هم تنیده در تصویر زیر نشان داده شده است.
هیدراسیون فاز CA به ترتیب با وکنشهای زیر از بعد از انحلال و رسوب فازها از محلول فوق اشباع انجام میشود.
زیر دمای ۱۰ برای CA واکنش اول رخ داده و تا دمای ۲۷ ادامه دارد. بین ۱۰ تا ۲۷ درجه فازهای CAH10 و C2AH8 ایجاد میشوند. در دماهای بالاتر CAH10 دیگر تشکیل نشده و فاز پایدار C3AH6 در هیدراسیون ایجاد میشود. ایجاد C3AH6 همیشه با تشکیل و انتقال C2AH8 حتی تا دمای ۹۰ رخ میدهد و تشکیل مستقیم C3AH6 از CA بعد از جوانه زنی مقداری C3AH6 انجام میشود. در هیدراسیون برای دمای بالای ۵۰ تنها فاز C3AH6 خواهد بود. واکنشهای ۴ و ۵ انتقال فازهای نیمه پایدار را نشان میدهد. سرعت واکنشها به دما، نرخ رطوبت و نسبت اب/سیمان بستگی دارد. نرخ هیدراسیون فازها در جدول امده است.
در هنگام گرمادهی باندها دچار تغییر میشوند. بعد از ریخته شدن و طی خشک شدن و گرمادهی در ۱۱۰ هیدراسیون ناقص ادامه می یابد تا تمام شود و بلوری شدن گیبسیت اشکار میشود. در هنگام گرمادهی باندها دچار تغییر میشوند. بعد از ریخته شدن و طی خشک شدن و گرمادهی در ۱۱۰ هیدراسیون ناقص ادامه می یابد تا تمام شود. بلوری شدن گیبسیت اشکار میشود. AH3 و C3AH6 به صورت فاز امورف بی اب و بخار اب تجزیه میشود که در دمای ۱۰۰-۴۰۰ رخ میدهد. افزایش تخلخل و کاهش استحکام رخ میدهد. در محدوده دمای ۴۰۰-۹۰۰ دهیدراته شدن فاز هیدراته پایدار C3AH6 به C12A7 و گیبسیت به صورت هیدرات الومینا انتقال می یابد. کاهش استحکام و افزایش تخلخل ادامه پیدا میکند. در دمای ۸۰۰-۱۱۰۰ بیشینه تخلخل و کمینه استحکام ایجاد میشود. فاز اتصالی ابتدا به شکل C12A7 و لعد CA بلوری شده و از ۹۵۰ درجه به بعد تشکیل CA2 شروع میشود. در دمای بالا ۱۱۰۰ درجه فاز CA2 به بیشینه مقدار خود می رسد. برای سیمان حاوی ۸۰% الومینا در دمای بالای ۱۳۰۰ درجه فاز CA6 از CA2 و الومینا ایجاد میشود.در بالای ۹۰۰ درجه بلوری شدن CA و زینترینگ اغاز شده و این امر به تشکیل باند سرامیکی و بهبود استحکام منجر میشود.
