1. مقدمة عن مواد العزل الحراري من سيليكات الكالسيوم

تنقسم مواد العزل من سيليكات الكالسيوم إلى نوع التوبيرموريت (6CaO·5SiO2·6H2O) ونوع الزونوتلايت (6CaO·6SiO2·H2O). تبلغ درجة الحرارة القصوى لتشغيل مواد نوع التوبيرموريت 650℃، وتُصنَّع بواسطة معالجة بخارية في الغلاف الجوي. أما مادة حجر السيليكا الصلب المكونة من سيليكات الكالسيوم، فتتحمل درجة حرارة قصوى تصل إلى 1000℃، ويتم تصنيعها باستخدام طريقة هيدروثيرمال ذات ضغط بخار ديناميكي. بشكل عام، لا تستخدم صناعة المواد الحرارية سوى منتجات العزل الصلبة من سيليكات الكالسيوم. يُستخدَم الزونوتلايت على نطاق واسع في صناعة الأسمنت بسبب احتوائه على نسبة منخفضة من ماء التبلور، ومقاومته الجيدة للحرارة، وعزله الحراري الجيد، بالإضافة إلى سلامته وحماية البيئة.

في الوقت الحالي، تمتلك الدولة التي تُعدّ أكبر منتج وأكثرها تقدماً في العالم من حيث تقنيات مواد العزل السيليكاتية الكالسيومية فائقة الخفة القدرة على إنتاج كميات كبيرة من منتجات سيليكات الكالسيوم الصلبة فائقة الخفة بكثافة تبلغ 110 كغ/م². في أواخر الثمانينيات، نجحت الأكاديمية الصينية لعلوم مواد البناء في تطوير منتج صلب من سيليكات الكالسيوم بوزن نوعي يبلغ 200 كغ/سم³. ومع ذلك، وبعد فترة طويلة، لم يطرأ تحسّن كبير في هذا المجال. وفي الوقت الحالي، لا يزال هناك فجوة كبيرة بين الصين والدول المتقدمة من حيث الكثافة وأداء العزل الحراري، وهما من المؤشرات الرئيسية لأداء منتجات سيليكات الكالسيوم الصلبة.

2. العلاقة بين الضغط ودرجة حرارة H2O

يحتاج تصنيع منتجات سيليكات الكالسيوم إلى أن يُجرى في ظروف درجة حرارة عالية. لذلك، من الضروري استخدام عملية الأوتوكلاف للتفاعلات التخليقية المائية الحرارية عند درجات حرارة تتجاوز 100℃. يوضح الشكل العلاقة بين درجة الحرارة والضغط داخل الأوتوكلاف عندما تكون نسبة الماء إلى المادة الصلبة 40.

تحت الضغط العادي، تغلي المياه عند 100℃. إذا أردت إجراء تفاعل هيدروثيرمي عند 100℃، فمن الضروري الحصول على درجة الحرارة المطلوبة عن طريق زيادة الضغط في وعاء مغلق. بشكل عام، إن زيادة درجة الحرارة مفيدة لزيادة سرعة التفاعل. مع ذلك، فإن زيادة درجة الحرارة تتطلب زيادة الضغط، والضغط المتزايد يتطلب أخذ مقاومة الضغط للمعدات بعين الاعتبار. لذلك، ولأسباب تتعلق بالسلامة، ينبغي التحكم في درجة حرارة ضغط البخار ضمن حدود 230℃.

3. انحلال CaO وSiO2

عند ملامسة الماء، تُهيدرَت سطح جزيئات الجير فورًا لتنتج هيدروكسيد الكالسيوم وتطلق كمية كبيرة من الطاقة الحرارية. ونظرًا لتأثير الحجم الناتج عن المنتجات التفاعلية، يتفكك هيدروكسيد الكالسيوم إلى ماء. وتتعرّض جزيئات الجير لأسطح جديدة وتستمر في التعرض للهيدرات. وهكذا، حتى تكتمل عملية الهيدرات لكل الجير. إن قابلية ذوبان هيدروكسيد الكالسيوم ليست كبيرة، وتتناقص مع ارتفاع درجة الحرارة، كما هو موضح في الشكل.

تزداد قابلية ذوبان السيليكا مع ارتفاع درجة الحرارة. بالنسبة للكوارتز، فإن قابليته للذوبان منخفضة جدًا عند درجات حرارة منخفضة؛ حتى عند 150℃، تبلغ قابليته للذوبان فقط 0.06 غ/لتر. وبعد 150℃، تزداد قابلية الذوبان بسرعة، لتصل إلى 0.15 غ/لتر عند 174℃. وعند 200℃، تبلغ 0.24 غ/لتر، وعند 240℃، تصل إلى 0.43 غ/لتر، كما هو موضح في الشكل.

4. توازن الطور لمنظومة CaO-SiO2-H2O

يتكون نظام CaO-SiO2-H2O من ما مجموعه 12 معدنًا. ومن بينها، تشمل المعادن المرتبطة بمنتجات العزل المصنوعة من سيليكات الكالسيوم كلًا من CSH(A) وCSH(B) والتوبرمورايت والكسونوتلايت.

CSH(B) مادة ضعيفة التبلور، يبلغ حجمها حوالي 1 ميكرومتر وتشكلها بلوري ليفي.

يمكن تحضير CSH(B) عن طريق تفاعل الجير مع SiO2 غير المتبلور، أو عن طريق تعقيم الجير مع رمل الكوارتز المطحون في درجة حرارة تتراوح بين 125 و175℃. وفي نظام CaO-SiO2-H2O، يمكن أيضًا تكوين هيدرات ذات تبلور أسوأ من CSH(B)، تُسمى جل C-SH.

CSH(A) هو نوع من البلورات المتطاولة التي يمكن تحويلها من CSH(B).

التوبيموليت (6CaO·5SiO2·6H2O) هو بلورة رقيقة ذات طبقات، يبلغ حجمها حوالي 2 ميكرومتر أو أقل. يمكن تصنيع التوبيمورايت من الجير ومسحوق الكوارتز عند درجة حرارة تتراوح بين 130-175℃، لكن المدة الزمنية اللازمة لذلك تقارب ضعف المدة اللازمة لتصنيع CSH(B).

بشكل عام، الـ خونوتلايت (6CaO·6SiO2·H2O) هو بلورة ليفية تتحلل عند حوالي 850℃.

يمكن تصنيع سيليكات الكالسيوم الصلبة عند درجة حرارة تتراوح بين 150 و400℃ باستخدام CaO وSiO2 اللذين يتطابقان مع صيغتهما الكيميائية. ومع ارتفاع درجة الحرارة، تتسارع سرعة التصنيع. يستغرق تصنيع سيليكات الكالسيوم الصلبة ذات التبلور الجيد 100 ساعة عند درجة حرارة 200℃. أما عند درجة حرارة 300℃، فلا يستغرق الأمر سوى 5 إلى 10 ساعات فقط. يُظهر الرسم البياني للطور لنظام CaO-SiO2-H2O في الشكل.

من الشكل، يمكن ملاحظة أن الكسونوتيت لا يمكن أن يوجد إلا عند درجات حرارة تزيد عن 180℃. لذلك، لكي ننجح في تصنيع الكسونوتيت، يلزم استخدام درجة حرارة تزيد عن 200℃.