Низкоуглеродистый цемент инновации строительной сферы

Используемый традиционно в области строительной сферы бетон, как правило, сделан на основе портландцемента. Современные здания, выстроенные на основе этого стройматериала, демонстрируют достаточный набор свойств, особенно с учётом оптимизации тепловой массы бетона. Однако внедрение инноваций с целью сокращения, как энергии, используемой при обслуживании, так и воплощённой в продуктах, а также выбросов парниковых газов – задачи, требующие реализации. Здесь актуальными видятся решения, позволяющие получить продукты с низким содержанием углерода, одним из которых является так называемый низкоуглеродистый цемент.

Низкоуглеродистый цемент инновация будущего

Прежде чем плотно рассмотреть этот вопрос, не лишним станет напоминание относительно традиционного продукта, коим выступает портландцемент. Такого рода стройматериалы производят точным смешиванием известняка (мела) с глиной (сланцем) с последующим нагревом смеси до температуры 1450ºC. Причём нагрев осуществляется в специальной вращающейся печи.

При температуре 1450ºC через химическое изменение сырьё превращается в твёрдое вещество шаровидной структуры. Это вещество получило название — клинкер. На следующем этапе остывший клинкер измельчают мельницей (валковой, шаровой) и тем самым получают цементный порошок. К цементному порошку добавляют перемолотый гипс (сульфат кальция) – компонент, определяющий время схватывания продукта. Весь процесс достаточно энергоёмкий. Химические изменения сопровождаются выделением углерода (CO₂).

Конечно, производителями портландцементов принимаются меры по снижению удельного энергетического/углеродного следа продукции:

• оптимизация производства клинкера,
• применение углеродно-нейтрального топлива,
• производство композиционных цементов.

В последнем случае комбинации включают вторичные вяжущие материалы, например, гранулированный доменный шлак, летучая зола электростанций, известняк. Эти компоненты перемалываются вместе с клинкером или смешиваются с цементом типа CEM I для получения цементов типа:

• CEM II,
• CEM III,
• CEM IV,
• CEM V.

Альтернативный вариант, между тем, предлагает изучение инновационных продуктов и процессов, энергетически менее затратных, и менее интенсивных в плане выбросов CO₂. То есть альтернатива – низкоуглеродистый цемент, производство которого сопровождается низким потреблением энергии и низким содержанием углерода.

Низкоуглеродистый цемент новый стройматериал

Существует несколько разработок инновационных цементов, не являющихся портландцементами как таковыми, требующих производства на основе нетрадиционных процессов или сырья. Эти, так называемые низкоуглеродистые цементы, как правило, требуют меньших затрат энергии и сопровождаются меньшими выделениями CO₂ в процессе производства.

Правда, точного определения на низкоэнергетический низкоуглеродистый цемент пока что нет. Можно лишь отметить, что такого рода продукты обладают более приемлемыми характеристиками производства. Поэтому логичным видится рассмотреть пять наиболее интересных новых типов низкоуглеродистого цемента, а также перспективы производства. Собственно, некоторые низкоуглеродистые цементы уже производятся в мире, другие находятся на стадии разработки и производства:

1. Активируемые щёлочью.
2. Низкоэнергетические CSA-белитовые.
3. На основе оксида магния.
4. На основе золы сжигания твердых бытовых отходов.
5. Термопластичные на основе углерода.

Рассмотрим каждый продукт из пяти представленных списком с целью лучшего понимания возможностей применения и перспектив.

Низкоуглеродистые цементы активация щёлочью

Активированные щёлочью низкоуглеродистые цементы достигают требуемой прочности в результате химической реакции между источником щёлочи (растворимый основной активатор) и материалами, богатыми алюминатами. Щёлочь, применяемая в качестве активатора, обычно представляет собой раствор силиката натрия (жидкое стекло) или раствор гидроксида натрия. Вполне допустимы комбинации двух отмеченных, а также применение других источников щёлочи (например, известь).

Содержащий алюминат материал – это пуццолан/латентный гидравлический связующий компонент цемента. Среди примеров:

• летучая угольная зола,
• зола сжигания твёрдых бытовых отходов (MSWIA),
• метакаолин,
• доменный шлак,
• сталелитейный шлак или другие шлаки и материалы, богатые глинозёмом.

Применение силиката натрия даёт низкотемпературное натриево-алюмосиликатное стекло, химически сходное с встречающимися в природе цеолитами (особый класс гидратированных алюмосиликатов). Геополимерные цементы являются конкретными примерами активированных щёлочью пуццолановых цементов или активированных щёлочью латентно-гидравлических цементов.

Все продукты, активированные щёлочью, как правило, имеют более низкий энергетический/углеродный след, чем традиционные портландцементы (до 80-90% в прямой зависимости от пуццолана). Короткое и неустойчивое время схватывания ограничивает использование этих разработок. Производство на коммерческой основе ограниченно ведётся в Австралии, США, Китае. Имеются сборно-разборные железобетонные изделия на основе этой вариации разработки.

Низкоуглеродистые CSA-белитовые цементы

Производимый в Китае, применяемый в промышленных масштабах уже более 35 лет CSA-белитовый цемент (сульфоалюминат кальция), изготавливается путём нагревания/спекания промышленных отходов при температуре 1200°C – 1250°C внутри вращающиеся печи. Используются, в частности, промышленные отходы:

• угольная летучая зола,
• гипс,
• известняк.

Низкоуглеродистые CSA-белитовые (C2S — двухкальциевый силикат) цементы изготавливаются разными по составу. Но структурные марки материалов, производимых в Китае, содержат, как правило:

• преобладающую фазу CSA 35–70 %,
• белит менее 30 %,
• ферроалюминат кальция фазы 10 % – 30 %.

Подобные низкоуглеродистые цементы в настоящее время производятся также на экспериментальных заводах Европы (проект Aether).

По сравнению с портландцементом CEM I, экономия энергии здесь достигнута на уровне 25 %, при уменьшении количества известняка на 60 % и сокращении выбросов CO₂, примерно, на 20 %. Степень прочности, в целом эквивалентна портландцементу, тогда как начальную прочность допустимо повышать за счёт корректировки состава.

Низкоуглеродистый цемент на основе оксида магния

Продукты на основе оксида магния, которые в настоящее время на стадии производства или разрабатываются, получают из двух различных химических/минералогических форм (и связанных процессов):

1. Карбонатов магния (например, минерал магнезит).
2. Силикатов магния.

В первом случае вяжущее вещество представляет собой реакционно-способный оксид магния. Во втором случае имеет место смесь оксида магния и гидратированных карбонатов магния.

Для производства этих двух разных типов низкоуглеродистых цементов на основе оксида магния требуется стадия нагревания (пирообработка). Правда, различные исходные материалы (процессы) существенно влияют на внутренние экологические характеристики продукта.

Низкоуглеродистые цементы на основе оксида магния, полученные из силикатного сырья, демонстрируют меньший «углеродный след», чем продукты, полученные из карбонатов. Связано это с отсутствием выделения химически связанного углерода при нагревании силикатов.

Напротив, при нагревании карбонатов магния в качестве продукта реакции, выделяется довольно большое количество СО₂. В последнем случае экологические характеристики в решающей степени зависят от того, насколько легко и полно такой продукт рекарбонатизируется (улавливает CO₂ из атмосферы) в течение всего жизненного цикла.

Продукт на золе от сжигания твёрдых бытовых отходов

Золу установок сжигания твёрдых бытовых отходов допустимо применить одним из двух способов для производства низкоуглеродистого цемента. Согласно теории о геополимерных цементах, золу допустимо использовать в качестве основного компонента активируемого щёлочью пуццоланового/геополимерного продукта. Или же в качестве основного сырья в новом процессе производства традиционного портландцемента.

Такого рода экологически чистый продукт производят в Японии. По сути, это традиционный портландцемент по минералогическому составу, но перерабатывается из сырья, 50% которого составляют бытовые отходы и/или осадок сточных вод. Отработанные масла, не подлежащие вторичной переработке пластики и пластмассы, другие отходы — заменяют ископаемое топливо.

Экологически чистые стройматериалы в данном случае также выступают низкоэнергетическими продуктами, поскольку «клинкерование» происходит внутри вращающейся печи при температуре 1350°C, но не 1450°C, как в случае традиционного портландцементного клинкера.

Исключение — специальный быстротвердеющий тип с высоким содержанием хлоридов, производимый для конкретных применений, но не пригодный для конструкционных бетонов. Отмеченные изделия практически неотличимы от портландцемента CEM I. Следовательно, имеют такие же свойства, характеристики и области применения.

Термопластичные цементы на основе углерода

В отличие от большинства цементов, используемых в сфере строительства, а также продуктов, отмеченных выше, Термопластичный цемент «C-Fix» (название связано с фиксацией углерода) представляет собой органический цемент. То есть имеет место продукт на основе углерода, а не как неорганический.

Здесь используется термопластичное связующее, образующееся в виде отходов/остатков «крекинга» сырой нефти. Сырье, применимое для производства продукта «C-Fix», исторически сжигалось с выделением значительных объёмов CO₂ в атмосферу.

Низкоуглеродистый цемент «C-Fix» — разработка специалистов «Shell» и Делфтского университета (Нидерланды). Имеет одну особенность использования — нагрев до 200°C перед добавлением к заполнителям/наполнителям при получении низкоуглеродистого бетона. Разработка «C-Fix» имеет общие свойства, как с асфальтовыми, так и с цементными бетонами, но смешивается и наносится по технологии укладки асфальта.

Согласно утверждениям разработчиков, углеродный след бетона «C-Fix» в 3,5 раза ниже, чем показывает бетон на основе портландцемента. Правда, достижим этот эффект только при условии полного исключения энергетического/углеродного следа процессом очистки, который приводит к образованию остатка.

Продукт «C-Fix» — это фактически термопластичный материал (размягчается при нагревании и затвердевает при охлаждении). Поэтому внутри структуры бетона оказывается чувствительным к температуре и давлению. Как следствие, имеет гораздо более высокую деформацию ползучести под нагрузкой по сравнению с бетонами на основе портландцемента. Соответственно, низкоуглеродистый цемент «C-Fix» не способен заменить портландцемент на практике общего строительства.

Этот продукт, скорее, полезный материал в определённых областях применения при запросах получения более устойчивых бетонных смесей. Значительный потенциал видится в качестве замены:

• асфальта в дорожно-строительных работах,
• бетона в промышленных полах/дорожных покрытиях,
• применения в морских и химически экстремальных средах.

Общий потенциал низкоуглеродистой бетонной смеси «C-Fix», скорее всего, станет более понятным в будущем.

---

При помощи информации: CMP