カルシウムアルミネートセメント

カルシウムアルミネートセメント^{[1]は、主に}水硬性のカルシウムアルミネートからなるセメントです。別名は「アルミナセメント」、「高アルミナセメント」、フランス語では「Ciment fondu」です。これらは、小規模で特殊な用途で数多く使用されています。^[要出典]

石灰石（CaCO ₃）と低シリカボーキサイト（Al ₂ O ₃ ）からセメントを製造する方法は、1908年にフランスでパヴァン・ド・ラファルジュ社のビエによって特許を取得しました。当初の開発は、硫酸塩耐性を備えたセメントの探索の結果でした。このセメントはフランス語で「Ciment fondu」または「Ciment électro-fondu」として知られていました。^{[2] [3]}

このタイプのセメントの発明者であるビード（1922）^[2]が指摘しているように、「Ciment fondu」（「溶融セメント」）および「Ciment électro-fondu」（「電気溶融セメント」）という用語は、ベース材料（CaCO ₃の脱炭酸後に得られるCaO 、およびAl ₂ O ₃ ）の溶融を含む製造プロセスのみを指します。これは、約1450℃のポートランドセメントの場合のように、これらの材料の徐々に軟化してクリンカー化を観察できる温度範囲がないためです。軟化温度がない場合、カルシウムアルミネートは前駆体材料の溶融によって直接得られ、ビード（1922）は、製造プロセスではなくその組成を指す「ciment alumineux」（「アルミナセメント」）という呼称を好んだことを明確に示しました。^[2]

その後、他の特殊な特性が発見され、ニッチな用途での将来へとつながりました。^[要出典]

2010年代までに、この製品はFONDAGセメント（FONDアルミナ骨材）という名前で米国市場で販売され、ALAG（ALuminous AGgregate）と呼ばれることもあります。FONDAGセメントは最大40％のアルミナを混ぜたもので、-184～1,093℃（-300～2,000°F、89～1,400K、160～2,500°R）の高温および熱サイクルでも安定しています^[4]

1908年にBiedによって発明されたCACセメント^[2]は硫酸塩を含まず、硬化すると主に水和したカルシウムアルミネートまたはカルボアルミネート（AFm相：アルミニウムフェライト一置換相）を生成し、時にはC-S-Hを微量成分として伴いますが、Ca(OH) ₂（ポートランド石）は存在しません。^[5]したがって、CACセメントは、1936年以降に発明された硫酸カルシウムを含むカルシウムスルホアルミネート（CSA）セメントと混同してはなりません。^[6]

カルシウムアルミネートセメントの主成分であり、最も反応性の高い相は、モノカルシウムアルミネート（CaAl ₂ O ₄ = CaO · Al ₂ O ₃ 、セメント化学表記ではCAとも表記される）である。通常、他のカルシウムアルミネートと、原材料中の不純物に由来する反応性の低い相がいくつか含まれる。用途や使用するアルミニウム源の純度に応じて、幅広い組成が見られる。^[7] 一般的な配合の成分には以下が含まれる。

鉱物相はすべて、多少変化する組成を持つ固溶体の形をとります。^[要出典]

セメントは、カルシウム含有材料（通常は石灰石からの酸化カルシウム）とアルミニウム含有材料（通常は一般用途ではボーキサイト、白色セメントおよび耐火セメントでは精製アルミナ）の混合物を融合して作られます。

混合物の溶融は1600℃で達成され、エネルギーを大量に消費する。^{[8] [9]}温度が高いため、 1450℃で焼結された普通ポルトランドセメントのクリンカーよりも製造コストが高くなる一因となっている。 ^[要出典]

液化した混合物は冷却されて気泡状の玄武岩のようなクリンカーになり、これを粉砕して完成品を製造します。通常は完全に溶解するため、塊状の原材料を使用できます。典型的な窯の構成は、シャフト予熱器を備えた反射炉で構成され、塊状の原材料混合物が下方に流れるときに高温の排気ガスが上方に通過します。予熱器は燃焼ガスの熱のほとんどを回収し、ボーキサイトを脱水および脱水酸化し、石灰石を脱炭酸します。焼成された材料は、溶融浴の「冷却端」に落ちます。溶融物は炉の高温端から鋳型にあふれ、そこで冷却されて固まります。このシステムは、粉砕された石炭または石油で燃焼されます。冷却されたクリンカーインゴットは、ボールミルで粉砕および粉砕されます。混合物が焼結するだけの高アルミナ耐火セメントの場合は、回転窯を使用できます。^[要出典]

CAC セメントは、普通ポルトランドセメント(OPC)よりも急速に強度が増します。作業性を長く保つために遅延剤が必要になる場合もあります。^[要出典]

ポルトランドセメントとは対照的に、アルミナセメントは水和中に水酸化カルシウム（Ca(OH) ₂、ポルトランド石、または石灰）を放出しません。 ^[5]

カルシウムアルミネートセメントの水和反応は非常に複雑です。強度発現相は、モノカルシウムアルミネート（CA）、ドデカカルシウムヘプタアルミネート（C ₁₂ A ₇）、および二カルシウムケイ酸塩であるビーライト（C ₂ S）です。カルシウムアルミノフェライト（C ₄ AF）、モノカルシウムジアルミネート（CA ₂）、ゲーレナイト、および多色石は、コンクリートの強度にほとんど寄与しません。^[要出典]

セメントが硬化する過程で、反応性アルミネートは最初に水と反応して、通常の酸化物表記法で以下に示す水和相の混合物を形成します。また、より簡潔なセメント化学表記法(CCN) (CaO = C、Al ₂ O ₃ = A、H ₂ O = H、SiO ₂ = S) でも略記されます。

   CaO・_Al2O3・10H2O     ( CAH10 ₎、_​​

2CaO _・Al2O3・8H2O      ( C2AH8 )、​_​​_​

3 CaO · Al ₂ O ₃ · 6 H ₂ O       ( C ₃ AH ₆ )、およびAl(OH) ₃ゲル、

それぞれの量は硬化温度によって異なります。^[要出典]

最初の2つの水和物はその後、3 CaO · Al ₂ O ₃ · 6 H ₂ O、Al(OH) ₃ゲル、および水の混合物に分解されます。このプロセスは「変換」と呼ばれます。水の損失により、変換により多孔度が増加し、コンクリートの強度が低下する可能性があります。十分に高いセメント含有量と十分に低い水セメント比が採用されている限り、構造用コンクリートではこれが問題になる必要はありません。^[10]

特別な注意を払わずにアルミン酸カルシウムセメントを一般的な建築材料として不適切に使用すると、建物の構造的安定性に問題が生じます。

1974年2月8日、英国でプールの屋根が崩落した。^{[11] 1984年には}チェコスロバキアのウヘルスケー・フラジシュチェにある工場の屋根（1952年建設）が崩落し、18人が死亡した。^{[12]スペインのマドリードでは、} 1951～1954年に建設され、「コリア」というニックネームが付けられた大規模な住宅街が被害を受け、2006年に取り壊しを余儀なくされた。また、マドリードではビセンテ・カルデロン・サッカースタジアムも被害を受け、部分的に再建と補強を余儀なくされた。^[13]

カルシウムアルミネートセメントは比較的高価で、実装が繊細なため、達成される性能がコストを正当化するいくつかの限られた用途で使用されています。^{[3] [引用が必要]}

• 低温でも急速な強度発現が求められるコンクリート部​​品の場合、構造安定性の問題を最小限に抑え、コンクリートの耐久性を高めるために、セメント含有量を十分に高くし、水セメント比を十分に低くすることが必須です。
• 混合セメント配合物の成分として、超急速な強度発現や制御された膨張などのさまざまな特性が求められます。
• 高温でも強度が求められる耐火コンクリートに使用されます。
• 生物起源の硫化物腐食に対する耐性が高いため、下水道インフラなどの微生物腐食に対する保護ライナー（および修復材料）として使用されます。

カルシウムアルミネートセメントの生体腐食耐性は、現在、主に3つの用途に使用されています。^[要出典]

• 廃水用ダクタイル鉄管には、カルシウムアルミネートセメントモルタルで作られた内部ライニングが施されています。
• 下水道用のコンクリート管は、全質量のアルミナセメントコンクリート、またはアルミナセメントモルタルの内部ライナーを使用して作ることができます。
• 低圧湿式スプレー、スピニングヘッド湿式スプレー、または高圧乾式スプレー（ガンイット、ショットクリート）のいずれかの設置方法を使用して、100％アルミナカルシウムモルタルで人がアクセス可能な下水道インフラストラクチャを修復します。