تُقارن المصبوبات الحرارية منخفضة الأسمنت بالصبات الحرارية التقليدية المصنوعة من الأسمنت الألوميني. عادةً ما تتراوح نسبة إضافة الأسمنت في هذه المصبوبات الحرارية التقليدية المصنوعة من الأسمنت الألوميني بين 12% و20%، بينما تتراوح نسبة إضافة الماء بين 9% و13%. ونظرًا لارتفاع كمية الماء المضافة، فإن جسم المصبوب يحتوي على مسام كثيرة، وهو ليس كثيفًا، وذو متانة منخفضة. ومع إمكانية الحصول على متانة أعلى في درجات الحرارة العادية والمنخفضة بسبب زيادة كمية الأسمنت المضافة، إلا أن المتانة تنخفض بسبب التحول البلوري لألومينات الكالسيوم عند درجات الحرارة المتوسطة. ومن الواضح أن أكسيد الكالسيوم (CaO) المُضاف يتفاعل مع ثاني أكسيد السيليكون (SiO2) وأكسيد الألومنيوم (Al2O3) في المصبوب، مُنتجًا بعض المواد منخفضة درجة الانصهار، مما يُؤدي إلى تدهور خصائص المادة عند درجات الحرارة العالية.
عند استخدام تقنية المسحوق فائق الدقة والمخاليط عالية الكفاءة وتدرج الجسيمات العلمي، يتم تقليل محتوى الأسمنت في المادة القابلة للصب إلى أقل من 8٪ ويتم تقليل محتوى الماء إلى ≤ 7٪، ويمكن تحضير مادة قابلة للصب الحرارية منخفضة الأسمنت وإدخالها في محتوى CaO ≤ 2.5٪، وتتجاوز مؤشرات أدائها عمومًا مؤشرات المواد القابلة للصب الحرارية الأسمنتية الألومينية. يتميز هذا النوع من المواد القابلة للصب الحرارية بخصائص جيدة للتخثر، أي أن المادة المختلطة لها شكل معين وتبدأ في التدفق بقوة خارجية صغيرة. عند إزالة القوة الخارجية، فإنها تحافظ على الشكل الذي تم الحصول عليه. لذلك، يطلق عليه أيضًا اسم المادة القابلة للصب الحرارية الثيكسوتروبية. تسمى المادة القابلة للصب الحرارية ذاتية التدفق أيضًا بالالمادة القابلة للصب الحرارية الثيكسوتروبية. ينتمي إلى هذه الفئة. لم يتم تحديد المعنى الدقيق للمواد القابلة للصب الحرارية منخفضة الأسمنت حتى الآن. تقوم الجمعية الأمريكية لاختبار المواد (ASTM) بتعريف وتصنيف المواد القابلة للصب الحرارية على أساس محتواها من CaO.
تتميز المصبوبات الحرارية منخفضة الأسمنت بكثافة عالية ومتانة عالية. وهذا يُحسّن من عمر المنتج وأدائه، إلا أنه يُسبب أيضًا مشاكل في عملية الخبز قبل الاستخدام، حيث يُمكن أن يحدث الصب بسهولة إذا لم تُراعَ الحذر أثناء الخبز. قد تتطلب ظاهرة انفجار الهيكل إعادة الصب على الأقل، أو قد تُعرّض السلامة الشخصية للعمال المحيطين للخطر في الحالات الشديدة. لذلك، أجرت دول مختلفة دراسات مُختلفة حول خبز المصبوبات الحرارية منخفضة الأسمنت. وتتمثل الإجراءات التقنية الرئيسية في: تصميم منحنيات فرن معقولة واستخدام عوامل ممتازة مضادة للانفجار، وما إلى ذلك، مما يُمكّن المصبوبات الحرارية من التخلص من الماء بسلاسة دون التسبب في أي آثار جانبية أخرى.
تعتبر تقنية المسحوق فائق الدقة هي التقنية الرئيسية للمواد المصبوبة الحرارية منخفضة الأسمنت (حاليًا، معظم المساحيق فائقة الدقة المستخدمة في السيراميك والمواد الحرارية تتراوح في الواقع بين 0.1 و10 م، وتعمل بشكل أساسي كمسرعات تشتت ومكثفات هيكلية. الأول يجعل جزيئات الأسمنت مشتتة للغاية دون تكتل، بينما يجعل الأخير المسام الدقيقة في جسم الصب ممتلئة بالكامل ويحسن القوة.
تشمل أنواع المساحيق فائقة النعومة الشائعة الاستخدام حاليًا SiO2 وα-Al2O3 وCr2O3، وغيرها. تبلغ مساحة السطح النوعية لمسحوق SiO2 الدقيق حوالي 20 مترًا مربعًا/جم، ويبلغ حجم جسيماته حوالي 1/100 من حجم جسيمات الأسمنت، مما يجعله يتميز بخصائص ملء جيدة. بالإضافة إلى ذلك، يمكن لمسحوق SiO2 وAl2O3 وCr2O3 الدقيق، وغيرها، أن يُكوّن جسيمات غروانية في الماء. عند وجود مُشتِّت، تتشكل طبقة كهربائية مزدوجة متداخلة على سطح الجسيمات لتوليد تنافر كهروستاتيكي، مما يتغلب على قوة فان دير فالس بين الجسيمات ويقلل من طاقة السطح البيني. يمنع هذا الامتصاص والتكتل بين الجسيمات؛ وفي الوقت نفسه، يُمتَزّ المُشتِّت حول الجسيمات مُشكِّلًا طبقة مُذيبة، مما يزيد أيضًا من سيولة المادة المصبوبة. وهذه أيضًا إحدى آليات المسحوق فائق الدقة، أي أن إضافة مسحوق فائق الدقة ومشتتات مناسبة يمكن أن يقلل من استهلاك المياه للصب الحراري ويحسن السيولة.
إن تصلب وتصلب المصبوبات الحرارية منخفضة الأسمنت ناتج عن التفاعل المشترك بين الترابط المائي والترابط التماسكي. ويعتمد ترطيب وتصلب أسمنت ألومينات الكالسيوم بشكل أساسي على ترطيب الطورين الهيدروليكيين CA وCA2، بالإضافة إلى عملية نمو بلورات هيدراتهما، أي تفاعلهما مع الماء لتكوين رقائق سداسية أو إبرية الشكل CAH10 وC2AH8، ثم تُشكل منتجات الترطيب، مثل بلورات C3AH6 المكعبة وهلامات Al2O3аq، شبكة تكثيف-تبلور مترابطة أثناء عمليتي المعالجة والتسخين. ويعود التكتل والترابط إلى أن مسحوق SiO2 النشط فائق الدقة يُشكل جزيئات غروانية عند التقاءه بالماء، وعند التقاءه بالأيونات المتفككة ببطء من المادة المضافة (أي مادة الإلكتروليت). لأن الشحنات السطحية للجزئين متعاكسة، أي أن سطح المادة الغروانية امتزاز أيونات معاكسة، مما يؤدي إلى انخفاض الجهد الكهربي، ويحدث التكثيف عند وصول الامتزاز إلى "نقطة التساوي الكهربائي". بمعنى آخر، عندما تكون قوة التنافر الكهروستاتيكي على سطح الجسيمات الغروانية أقل من قوة تجاذبها، يحدث الترابط المتماسك بمساعدة قوة فان دير فالس. بعد تكثيف الصب الحراري المخلوط بمسحوق السيليكا، تُجفف مجموعات Si-OH المتكونة على سطح SiO2 وتُجفف لتُشكل جسرًا، مُشكلةً بنية شبكية من السيلوكسان (Si-O-Si)، وبالتالي تتصلب. في بنية شبكة السيلوكسان، لا تتناقص الروابط بين السيليكون والأكسجين مع ارتفاع درجة الحرارة، وبالتالي تستمر القوة في الازدياد. في الوقت نفسه، عند درجات الحرارة العالية، تتفاعل بنية شبكة SiO2 مع Al2O3 المُغلفة بها لتكوين الموليت، مما يُحسّن القوة في درجات الحرارة المتوسطة والعالية.
وقت النشر: ٢٨ فبراير ٢٠٢٤
