CO2減排水泥Solidia氣硬性水泥、混凝土

全世界年消耗混凝土超過170億噸，水泥約36億噸，是地球上消耗最多的材料之一。按照美國能源部統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，水泥生產(chǎn)所排放的CO2約占人類活動產(chǎn)生的CO2總量的5%。每噸普通硅酸鹽熟料（簡稱PC熟料）產(chǎn)生的CO2為810kg。

近些年來，歐洲的水泥公司對水泥熟料的化學(xué)成分開展研究，開發(fā)出一些與PC熟料化學(xué)成分較為接近和差距較大的低CO2排放的新品種水泥，主要有：

·Lafrage公司的Aether水泥，主要成分為貝利特（C2S）和硫鋁酸鈣（C4A3S）。

·Celitement公司的Celitement水泥，主要成分為含水硅酸鈣。

·Novacem公司的Novacem水泥，通過對天然硅酸鎂煅燒所得到的以氧化鎂為基本成分的水泥。

·Zeobond Pty公司的E-Crete，源于活性火山灰的地質(zhì)聚合物。

上述產(chǎn)品均有其特殊的性能，得到混凝土行業(yè)的認(rèn)可，但市場推廣進(jìn)度較慢。

圖1　普通水泥（PC）和Solidia水泥（S.C）相圖所在部位

1　Solidia水泥化學(xué)和綜合性能

Solidia水泥（簡稱S.C水泥）主要由低石灰含量的假灰硅石/假硅灰石（CaO·SiO2）和硅鈣石（3CaO·2SiO2）等硅酸鹽組成，Solidia熟料（簡稱S.C熟料）含有42%～48%的石灰（CaO）。由阿利特（3CaO·SiO2）、貝利特（2CaO· SiO2）、鋁酸三鈣（3CaO·Al2O3）、鐵鋁酸四鈣（4·CaO· Al2O3·Fe2O3）等硅酸鹽組成的PC熟料含量為65%～70%的石灰（CaO）。二者相比，S.C熟料所含CaO較PC熟料少得多，兩種水泥的化學(xué)成分均為CaO、SiO2和Al2O3，但礦物成分不一，三元相圖所在部位見圖1。

PC水泥和S.C水泥生產(chǎn)所需原料相同，制造工藝裝備和操作方式均相似。采用現(xiàn)PC水泥工藝生產(chǎn)裝備即能快速有效地生產(chǎn)S.C水泥。

PC水泥與S.C水泥的差別之處是：生產(chǎn)S.C水泥，熟料礦物的CaO含量低，CO2排放量較PC水泥低。此外PC水泥制備混凝土?xí)r，需水養(yǎng)護(hù)、硬化，屬水硬性水泥。而S.C水泥制備混凝土?xí)r，需在CO2氣體內(nèi)養(yǎng)護(hù)，是氣硬性水泥。在養(yǎng)護(hù)過程中，消納CO2，相應(yīng)減少CO2的數(shù)量。

兩種水泥制造時(shí)，均需石灰石（CaCO3）作石灰（CaO）的原料，砂巖、粘土或頁巖作SiO2原料。生產(chǎn)PC熟料所需的石灰石含量超過70%，而S.C熟料僅為50%。

PC和S.C水泥熟料在煅燒過程中，當(dāng)溫度超過800℃時(shí)，碳酸鈣分解，生成CaO和CO2。PC水泥制造時(shí)，每噸PC水泥熟料排放540kgCO2，而S.C水泥熟料，排放僅375kgCO2，較PC水泥熟料減少30%。

當(dāng)生料加熱至1450℃時(shí)，PC水泥熟料生成C3S、C2S、C3A和C4AF。反應(yīng)方程式如下：

S.C熟料生產(chǎn)時(shí)，當(dāng)生料加熱至1200℃時(shí)，生成CS、C3S2，其反應(yīng)方程式為：

3CaO+SiO2→CaO·SiO2（C·S）

3CaO+2SiO2→3CaO·2SiO2（C3S2）

PC水泥熟料煅燒溫度高，每噸熟料耗用燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2為270kg，S.C水泥熟料煅燒溫度低，產(chǎn)生的CO2為190kg。

表1為生產(chǎn)PC和S.C水泥熟料石灰石分解和燃料燃燒所排放的CO2數(shù)量。

圖2　S.C氣硬性水泥混凝土

表1　PC和SC熟料生產(chǎn)所排放的CO2，kg/t

2　CO2養(yǎng)護(hù)S.C水泥混凝土

膠凝材料分水硬性和氣硬性，PC水泥屬水硬性，制成混凝土?xí)r，在養(yǎng)護(hù)和硬化過程中，水與水泥中C3S和C2S作用，生成不定形的C-S-H膠體，其水化過程相當(dāng)慢，一般需28d達(dá)到硬度目標(biāo)值。S.C水泥屬氣硬性，制成混凝土?xí)r，在養(yǎng)護(hù)和硬化過程中，水與S.C水泥中的C2S和C3S2作用甚少，而S.C水泥在水和CO2同時(shí)存在養(yǎng)護(hù)時(shí)快速作用，反應(yīng)方程式如下：

CaO·SiO2+CO2+H2O→CaCO3+SiO2+H2O

3CaO·2SiO2+3CO2+H2O→3CaCO3+2SiO2+H2O

反應(yīng)方程式表明，S.C水泥養(yǎng)護(hù)和硬化過程中，不消耗水。反應(yīng)生成物為碳酸鈣（CaCO3）和不定形的氧化硅（SiO2）。上述反應(yīng)物在超過500℃的溫度時(shí)，熱動力相十分穩(wěn)定。因此提供一個安全有效的方式，永久性地消納CO2。每噸S.C水泥在養(yǎng)護(hù)和硬化過程中可消納300kgCO2。

S.C水泥在制備混凝土?xí)r，通過CO2養(yǎng)護(hù)，能夠有效地和細(xì)集料砂子、粗集料破碎石子結(jié)合在一起，生成硬度高的耐久性混凝土（圖2）。配制S.C水泥的混凝土由50%的粗顆粒集料、33%的細(xì)顆粒集料、17%的S.C水泥組成。在較短的養(yǎng)護(hù)硬化時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到ASTM C39耐壓強(qiáng)度超過69MPa和ASTM C78抗折強(qiáng)度超過7.5MPa。舉例如下：10mm厚的屋頂瓦片，僅需10h養(yǎng)護(hù)就能達(dá)到強(qiáng)度需求值。鐵道所需的250mm厚的混凝土墊，養(yǎng)護(hù)僅需24h就可達(dá)到所需強(qiáng)度。在生產(chǎn)過程中，快速養(yǎng)護(hù)硬化有利于混凝土行業(yè)裝備利用、庫存及生產(chǎn)計(jì)劃更大的靈活性。

3結(jié)語

S.C水泥是氣硬性膠凝物質(zhì)結(jié)合劑，可用于生產(chǎn)混凝土制品。

S.C水泥熟料在制造過程中，消耗的石灰石和燃料較PC水泥熟料少，CO2排放相應(yīng)減少。此外，在養(yǎng)護(hù)和硬化過程中也可消納CO2，十分有利于水泥和混凝土在制造過程中減少CO2排放值。

S.C水泥和常規(guī)的PC水泥相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)：

·水泥生產(chǎn)，減少CO2排放約30%。

·混凝土養(yǎng)護(hù)和硬化過程中，永久性消納CO2，其數(shù)量為水泥重量的30%。

·生產(chǎn)混凝土產(chǎn)品和制造水泥時(shí)，CO2減少70%。

·S.C氣化混凝土和PC水泥混凝土性能相當(dāng)或少許超過。

·S.C水泥和PC水泥生產(chǎn)所需的原料和工藝生產(chǎn)裝備及生產(chǎn)操作相同或相似。

在現(xiàn)有開發(fā)的基礎(chǔ)上，S.C水泥及其所配制的混凝土性能還需進(jìn)一步優(yōu)化，耐久性能有待進(jìn)一步實(shí)踐，一些相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)有待制定和完善，之后才能在市場上大量應(yīng)用。

陳友德編譯自

No.1/2014 World Cement