بررسي اثر نوع مواد اوليه بر فازهاي تشكيل شده در سيمانهاي آلومينايي
حاوي اسپينل

محمدرضا پويامهر1*، علي نعمتي2و رحيم نقي زاده3
دانشجوي دكتري، دانشگاه آزاد اسلامي، واحد علوم و تحقيقات، دانشكده مهندسي مواد، تهران، ايران
استاد، دانشگاه صنعتي شريف، دانشكده مهندسي و علم مواد، تهران، ايران
استاديار، دانشگاه علم و صنعت ايران، دانشكده مهندسي مواد، تهران، ايران
[email protected]*
(تاريخ دريافت: 19/12/1389، تاريخ پذيرش: 27/03/1390)

چكيده
در اين تحقيق تاثير نوع دولوميت و مقدار 3Al2O بر روي فازهاي تشكيل شده در سيمان آلومينايي حاوي اسپينل مورد بررسي قـرارگرفتـه اسـت. بـراياين منظور از دولوميت خام و كلسينه شده به همراه آلوميناي كلسينه شده با نسبتهاي مختلف براي فرآوري سيمان استفاده گرديـد . تركيبـات مختلـفدر دماي 1350 درجه سانتيگراد با استفاده از روش سينترينگ واكنشي، فرآوري شدند و سپس به كمـك پـراش پرتـو ايكـس آنـاليز فـازي تركيبـاتمشخص گرديد . همچنين بررسيهاي ريزساختاري نيز به كمك ميكروسكوپ الكتروني روبشي انجام شد . نتايج نشان داد كه مواد اوليـه مـورد اسـتفادهتاثير زيادي بر روي نوع و مقدار فازهاي تشكيل شده در تركيب سيمان دارد. مستقل از نوع دولوميت مورد استفاده، تركيب سـيمان حاصـل شـامل فـازاسپينل به همراه فازهاي CA و 2CA ميباشد. با افزايش مقدار 3Al2O و در نتيجه كاهش مقدار CaO در تركيب مواد اوليه از مقدار فاز CA در تركيـبسيمان كاسته و به مقدار فاز 2CA افزوده مي شود. هم چنين نتايج نشان داد كه استفاده از دولوميـت كلـسينه شـده باعـث تـشكيل فـاز 7C12A در تركيـب
سيمان ميگردد.

واژههاي كليدي:
سيمان آلومينايي، اسپينل، دولوميت، C12A7 ،CA

مقدمه
سيمان آلومينات كلسيم معمولترين سيـستم اتـصال هيـدروليكياست كه در ديرگدازهاي ريختني استفاده مي شود. مقدار سـيمانمورد استفاده بـر حـسب تركيـب ديرگـداز ريختنـي مـيتوانـد ازمقادير خيلي كم تا 10 درصد تغيير كند. به ه رحـال وجـودCaO در تركيب سيمان ميتواند ديرگدازي تركيب ديرگـداز ريختنـيرا كاهش دهد به ويژه در سيستم هايي كـه حـاوي ميكروسـيليسهستند [1 و 4]. اخيراً سيمان هاي آلومينايي جديـدي سـاخته و بـهصنعت معرفي شده اسـت كـه ديرگـدازي بـالايي از خـود نـشان ميدهند. نتايج نشان داده است در صورتي كه مقداري از اكـسيدكل سيم در كلينك ـر س يمان ب ا اك سيد مني زيم ج ايگزين ش ود ديرگدازي سيمان هاي آلومينايي را به ميزان قابل توجهي افز ايش ميدهد. اين نوع از سيمانها كـه حـاوي 6 تـا 13 درصـد اكـسيد
منيــزيم هــستند بــه ســيمانهــاي اســپينلي معروفنــد . اســپينل در سيمانهـاي اسـپينلي از لحـاظ هيـدروليكي فـازي خنثـي اسـت ونميتواند به عنوان سيستم اتصال عمل كند. با اين وجود اين نـوعسيمانها استحكام مناسبي در دماي بالا از خود نشان ميدهنـد . از طرف ديگر وجود اسپينل در تركيب سـيمان سـبب مـيشـود كـهدماي كاربرد ديرگـدازهاي ريختنـي هـا بـا اگريگيـت مناسـب تـابالاتر از 1800 درجه سانتي گراد افزايش يابد و مقاوم ت در برابـرخ وردگي س رباره ني ز ب ه مي زان قاب ل ت وجهي بهب ود پي دا كن د [5 و 7]. د ر حال حاضر قيمـت بـالاي اسـپينلهـاي سـ ينتر شـده وذوبي و سيمان ديرگداز آلومينـا بـالا مـانعي بـر سـر راه توسـعه و اســـتفاده از ديرگـــدازهاي ريختنـــي حـــاوي اســـپينل هماننـــد آلومينا – اسپينلي محسوب مي شود. امروزه استفاده از سيمان هـاي حاوي اسپينل كه از مواد اوليه ارزان قيمتـي هماننـد دولوميـت درساخت آنها استفاده ميشـود يـك راه حـل بـسيار مناسـبي بـراي كـ اهش قيمــت و در نتيجـ ه توسـ عه ديرگـ دازها ي ريختنـ ي آلومينا – اسپينلي در دنيا فراهم نموده است [6 و 7].
اولـين بـارN. M. A. Khalil و همكـارانش [6] در سـال 2001 م يلادي س يمان ديرگ داز ح اوي اس پينل تهي هكردن د ك ه ب راي ساخت اين نوع سيمان، سينترينگ مخلـوط مناسـبي از دولوميـتخام (به عنـوان منبعـي بـراي اكـسيد كلـسيم و اكـسيد منيـزيم) واكسيد آلومينوم استفاده شد. نتايج نشان داد كه مهمترين فازهـايتــشكيلدهنــده ســيمان هــاي آلومينــايي حــاوي اســپينل شــامل CA2 , CA و اسپينل ميباشد. با توجه به تـاثير مثبـت اسـپينل بـرافـ زايش ديرگـ دازي و مقاومـ ـت بـ ه خـ ـوردگي سـ رباره درديرگدازهاي ريختني تاثير ميزان آن بر خواص مختلف ايـن نـوعسيمانها نيز توسط اين محقق ين مورد بررسي قرار گرفـت. نتـايجن شان داد ك ه ب ا اس تفاده از 40% اس پينل در تركي ب س يمان ه م استحكام ف شاري مناسب و هم ديرگدازي بالا در تركيـب سـيمانحاص ل م يش ود. A. H. De Aza و همك ارانش [5] ني ز ب ه بررسيهاي دقيق تر واكنش ها ميان دولوميت و آلومينا پرداختند ومشاهده كردند كه تا دماي 1250 درجه سـانتيگـراد واكـنش هـاكامل ميشود و پس از آن فرايند سينترينگ شروع ميشود. طـيبررسيهاي انجـام شـده مـشخص گرديـده اسـت كـه اسـتفاده ازس يمانه اي آلومين ايي ح اوي اس پينل منج ر ب ه اف زايش قاب لملاحظهاي در زمان عمر ديرگدازهاي ريختني مـورد اسـتفاده درصنايع حرارتي مختلف ميگردد [8 و 10]. اثـر پلـي مـورفهـايمختلف آلومينا به عنوان يكي از مواد اوليه مـورد مـصرف نيـز درتحقيقـات انج ام ش ده توس ط A. E. Lavat و همك ارانش [7] بررسي شده است. اما اثر نوع دولوميت و مقـدار آلومينـا تـاكنونمورد بررسي قرار نگرفته است. در اين مقاله اثـر نـوع مـواد اوليـههمانند نوع دولوميـت كلـسينه نـشده و كلـسينه شـده (دولومـا ) و مقدار آلومين اي كلسينه شده بر روي تركيب فازي سيمان حاصـلمورد تحقيق قرار گرفته است.

جدول (1): تركيب شيميايي مواد اوليه مصرفي.
اكسيد
ماده اوليه دولوميت خام دولوميت كلسينه شده آلوميناي كلسينه شده
SiO2 0/51 0/66 0/02
Fe2O3 0/27 0/84 0/02
Al2O3 0/54 0/26 99/60
CaO 31/32 60/02 –
MgO 20/16 37/86 –
Na2O 0/01 0/01 0/15
L.O.I 46/82 – 0/11
جدول (2): ويژگيهاي مواد اوليه مصرفي.

اوليه

ماده

ويژگيها

اوليه

ماده

ويژگيها

آلوميناي كلسينه شده دولوميت كلسينه شده دولوميت خام
2/84 3/34 3/92 چگالي (3g/cm)
3/2 3/7 4 متوسط اندازه ذرات (μm)
3/1 2/8 1 سطح ويژه (m2/g)

جدول (3): تركيبات مورد استفاده براي سنتز سيمان آلومينايي حاوي اسپينل.
كد نمونه
ماده اوليه (درصد وزني) دولوميت خام دولوميت كلسينه شده آلوميناي كلسينه شده
C1 55 – 45
C2 50 – 50
C3 45 – 55
C4 40 – 60
C5 – 50 50
C6 – 45 55
C7 – 40 60
C8 – 35 65
C9 – 30 70

مواد و روش تحقيق
دولوميت خام با خلوص بالا (معادن شهرضـا )، دولوميـت كلـسينهشـده و آلومين اي كل سينه ش ده بـراي س اخت س يمان آلومين اييحاوي اسپينل مورد استفاده قرار گرفـت. تركيـب شـيميايي مـواداوليه مصرفي در جدول (1) ارائـ ه شـده اسـت. دولوميـت كلـسينهشده از طريق كلسيناسيون دولوميت خـام در دمـاي 1350 درجـهسانتيگراد به مدت 3 ساعت به دست آمـد. خـردايش دولوميـتخام و كلسينه شده توسط آسـياب گلولـهاي انجـام شـد تـا ذراتآنها به اندازه مناسب تبديل شوند. آلوميناي كلسينه شده محصولشركت فيبرونـا اسـت كـه ويژگـيهـا و خـصوصيات مـواد اوليـهمصرفي در جدول (2) ارا ئه شده اسـت. همچنـين فرمولاسـيون وتركيبات مورد استفاده در ساخت سيمان آلومينايي حاوي اسپينلو بررسي اثـر مقـدار 3Al2O در جـدول (3) آمـده اسـت. پـس از توزين دقيق مواد اوليه مورد نياز براي هر تركيب (طبق جدول 2) مخلوط مواد توسط آسياب گلولهاي به صورت خشك، آسـياب ش د. پ س از آس ياب، مخلـوط حاص ل توس ط پ رس ب ا ف شار 2kg/cm 800 ب ه ص ورت ق رص، ش كل داده ش د. ق رصه اي حاص ل در 110 درج ه س انتيگ راد خ شك و س پس در ك وره الكتريكي با دماي 1350 درجـه سـانتيگـراد بـه مـدت 5 سـاعت ســـينتر شـــد. بررســـيهـــاي آنـــاليز فـــازي توســـط دســـتگاه D8ADVANCE, Bruker (XRD) و ريزسـ اختاري توسـ ط دستگاه Jeol, JSM 5410 LV(SEM) مجهـز بـه دسـتگاه آنـاليزEDX بر روي نمونههاي سينتر شده انجام شـد . در ايـن ارتبـاط ازآناليز فازي به صورت نيمه كمي جهت تعيين مقدار وزنـي فازهـااستفاده شد و بررسيهاي ريزساخ تاري نيز بر روي سطح شكستنمونههاي سينتر شده صورت گرفت.

نتايج و بحث
3-1- بررسيهاي آناليز فازي
نتايج آناليز فازي مربوط به نمونـههـاي سـيمان فـرآوري شـده بـااستفاده از دولوميت خام پـس از سـينترينگ در شـكل (1) نـشانداده شده است. بـا توجـه بـه ايـن نتـايج فـاز CaO.Al2O3 (CA) علاوه بر اسپينل در همه تركيبات شناسايي شـده اسـت. همچنـينمقداري از مواد اوليـه بـه صـورتMgO وCaO ناشـي از تجزيـهدولوميت به ه مراه 3Al2O نيز ديده ميشود. ب ه طوركلي دولوميت خام با افزايش دما به CaO وMgO تجزيـه مـيشـود . سـپس ايـناكسيدها با 3Al2O واكنش ميكنند كـه منجـر بـه تـشكيلCA و اس پينل م يگ ردد. هم انطوريك ه در نت ايج دي ده م يش ود ف از (2CaO.2Al2O3 (CA در نمونه هـاي 4C2-C تـشكيل شـده اسـتكه بيشترين مقدار آن در نمونه 4C ديده ميشود. از طـرف ديگـرنمونه 4C بيشترين مقدار 3Al2O را در تركيب خود دارد.
مقدار و نسبت وزني فازهـاي مختلـف در تركيبـات سـيمانهـايحاصل توسط آناليز كمـي تعيـين شـد كـه نتـايج آن بـه صـورتتابعي از ميزان 3Al2O موجود در تركيب مواد اوليه در شـكل (2) ارايه شده است. نتايج نشان ميدهد كه مقدار فازCA در تركيبسيمان با افزايش ميزان 3Al2O كـاهش مـييابـد . از طـرف ديگـرمقدار فـاز 2CA بـا اضـافه شـدن 3Al2O زيـاد مـيشـود . بنـابراين ميتوان نتيجه گرفت كه مقـدار فازهـاي تـشكيل شـده بـه مقـدار3Al2O در تركي ب م واد اولي ه ب ستگي دارد. CA مهمت رين ف از سـ يمانهـ اي آلومينــايي اسـ ت و نقطـ ه ذوب نـ سبتا بـ الايي (1600 درجه سانتيگراد) دارد. همچنين اين فـاز نقـش مهمـي رادر توسعه استحكام سيمان دارد. در دمـاي 1000 تـا 1200 درجـهسانتيگراد CA با 3Al2O واكنش مـيكنـد و باعـث تـشكيل فـاز2CA مي گردد. بنابراين فازCA پس از واكنش بـا 3Al2O بـه فـاز
2CA تبديل شده و از مقدارش كاسـته مـيشـود . از طـرف ديگـر
2CA فاز ثانويه در تركيب سيمان آلومينايي محسوب مي شـود وديرگدازتر از CA است. اما زمان بيشتري براي گيرش كامل نيـازدارد. استحكام آن نيز پس از سه روز قابل مقايسه باCA ميباشد.
محققان نـشان داده انـد كـه فعاليـت هيـدروليكي سـيمان حاصـلبــستگي بــه نــسبت 2CA/CA و همچنــين بــه 7CA/C12A دارد.
فعاليت هيدروليكي سيمان آلومينايي همچنين توسط اندازه ذراتسيمان و افزودنيها تحت تاثير قرار مـي گيـرد [8 و 10]. بنـابراين ميتوان نتيجه گرفت كه خـواص سـيمانهـاي آلومينـايي هماننـدزمان گيرش و استحكام بستگي به مقدار 3Al2O در تركيب مـواداوليه دارد . نتايج آناليز فازي سيمانهاي فر آوري شده بـا اسـتفادهاز دولوميت كلسينه شـده پـس از سـينترينگ در شـكل (3) ارايـهشده است. در همه تركيبات پـس از پخـت، فازهـاي ,2CA, CA (712CaO.7Al2O3 (C12A و اسپينل تـشكيل شـدهانـد . همچنـينمقدار قابل توجهي از مواد اوليه همانند 3MgO, Al2O و مقداري نيزCaO در تركيب سيمان وجود دارد و در واكـنشهـا شـركتنكردهاند. به طوركلي با افـزايش دمـا، MgO وCaO موجـود دردولوما با 3Al2O واكنش مي كنـد كـه منجـر بـه تـشكيل فازهـايمذكور مي گردد. مقايسه بين شكلهاي (1) و (3) نشان مـيدهـدكه فاز 7C12A (ماينيت) در تركيب سيمانهاي فـرآوري شـده بـااستفاده از دولوميت كلسينه شـده بـه وجـود مـي آيـد. بنـابراين بـاتوجه به نتايج شكل هاي مذكور ، كلسيناسيون دولوميت ميتوانـدتاثير زيادي بر روي نوع و مقدار فازهاي تشكيل شده در تركيـبسيمان داشته باشد. مقدار فازهاي تشكيل شده پس از سـينترينگدر تركيبات سيمان توسط آناليز كمي مشخص شدند. نتـايج ايـناندازهگيريها به عنوان تـابعي از مقـدار 3Al2O اسـتفاده شـده درتركيب موا د اوليه در شكل (4) ارايه شده اسـت. تغييـر در ميـزانفازه اي ت شكيل ش ده در ش كل (4) ب سيار م شابه ب ا ش كل (2) ميباشد. بنابراين مقدار فازهاي تشكيل شده در اينجا نيز به مقـدار 3Al2O ب ستگي دارد. ب ا توج ه ب ه نت ايج ب ه دس ت آم ده مق دار فازهايCA و 7C12A در تركيب سيمان با افزايش مقدار 3Al2O، كاهش مي يابند درصورتي كه مقدار فاز 2CA افزايش مييابـد . بـااستفاده از دولوميت كلسينه شده براي توليد سيمان فاز 7C12A در دماهاي پايين ميتواند به دليـل فعاليـت شـيميايي بـالايCaO در دولوما تشكيل گردد. به طور كلي 7C12A سـرعت گيـرش بـالا ونقطه ذوب نسبتا پايين (1495-1415 درجـه سـانتي گـراد) دارد و بـــا افـــزايش دمـــا مـــيتوانـــد بـــه فـــازCA طبـــق واكـــنش
C12A7 + 5A → 12CA تبديل شود. از طرف ديگر فاز CA نيـزب ه ت دريج بـا 3Al2O واك نش م يكنـد و باع ث ت شكيل 2CA ميگردد. فـاز 7C12A پـايينتـرين نقطـه ذوب را در بـين فازهـايموجود در تركيب سيمان داراست [8 و 10]. بنـابراين وجـود ايـنفاز ميتواند ديرگدازي تركيب سيمان را كاهش دهد.

شكل (1) : نتايج آناليز فازي سيمانهاي فرآوري شده با استفاده از دولوميت خام پس از سينترينگ
■: CA, ●: CA2, S: Spinel, M: MgO, A: Al2O3, C:CaO.

شكل (2): تاثير ميزان بر روي ميزان فازهاي تشكيل شده در سيمان آلومينايي فرآوري شده با استفاده از دولوميت خام.
Al2O3

شكل (3): نتايج آناليز فازي سيمانهاي فرآوري شده با استفاده از دولوميت كلسينه شده پس از سينترينگ
■: CA, ●: CA2, ▲: C12A7, S: Spinel, M: MgO, A: Al2O3

شكل (4): تاثير ميزان بر ميزان فازهاي تشكيل شده در سيمان آلومينايي فرآوري شده با استفاده از دولوميت كلسينه شده.
Al2O3

-301751-1039

شكل
)
5
🙁

نمونه

به

مربوط

الكتروني

ميكروسكپ

تصوير
C1
.

شكل

)

5

🙁

نمونه



قیمت: تومان


دیدگاهتان را بنویسید