Solidia氣硬性水泥混凝土的性能和商品化

2014年全世界消耗水泥約42億噸，混凝土超過(guò)200億噸，是地球上消耗最多的材料。按每噸普通硅酸鹽熟料（簡(jiǎn)稱PC熟料）產(chǎn)生的CO2為810kg計(jì)算，CO2排放總量約30億噸。

近些年來(lái)，為降低水泥工業(yè)產(chǎn)生的CO2，有關(guān)公司采取了降低熟料熱耗，使用代用燃料，生產(chǎn)復(fù)合、混合水泥以降低熟料摻加量的方法。另外，公司還對(duì)水泥熟料的化學(xué)成分開(kāi)展研究，開(kāi)發(fā)與PC熟料化學(xué)成分較為接近的低CO2排放的新品種水泥。而這些新品種水泥中，最引人注目的是采用CO2氣體硬化的Solidia氣硬性水泥和混凝土。

1　Solidia水泥熟料性能

Solidia水泥（簡(jiǎn)稱SC水泥）主要由低石灰含量的假灰硅鈣石（CaO· SiO2）和硅鈣石（3CaO·2SiO2）等硅酸鹽礦物組成。其熟料中含有42%～48%的石灰（CaO），每噸熟料生產(chǎn)所排放的CO2為570kg，較PC熟料低約240kg。兩種熟料的化學(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(jiàn)圖1。

圖1　普通水泥（PC）和Solidia水泥（SC）相圖所在部位

PC熟料和SC熟料生產(chǎn)所需的原料相同，制造工藝裝備和操作方式相似，采用現(xiàn)有PC水泥工藝生產(chǎn)裝備即能快速有效地生產(chǎn)SC水泥。

表1　PC和SC噸水泥熟料生產(chǎn)所排放的CO2

PC水泥熟料煅燒溫度為1 400～1 450℃，每噸熟料耗用的燃料燃燒所產(chǎn)生的CO2為270kg，而SC水泥熟料煅燒溫度約1 200℃，噸熟料燃料燃燒產(chǎn)生的CO2為190kg，二者差80kg。SC熟料的主要反應(yīng)方程式為：

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

2　CO2養(yǎng)護(hù)SC水泥混凝土

PC水泥制造的混凝土，需水養(yǎng)護(hù)、硬化，屬水硬性水泥。而SC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。

PC水泥在制成混凝土?xí)r，在養(yǎng)護(hù)和硬化過(guò)程中，水與水泥中的C3S、C2S作用，生成不定形的C-S-H膠體，其水化過(guò)程相當(dāng)慢，一般需28d達(dá)到硬度目標(biāo)值。SC水泥制成混凝土?xí)r，在養(yǎng)護(hù)和硬化過(guò)程中，水與SC水泥中的CS和C3S作用甚少，而在水和CO2同時(shí)存在養(yǎng)護(hù)時(shí)，快速反應(yīng)，1d就可完成，反應(yīng)方程式如下：

方程式表明，SC水泥養(yǎng)護(hù)和硬化過(guò)程中，不耗用水，反應(yīng)生成物為碳酸鈣（CaCO3）和不定形的氧化硅（SiO2）。上式反應(yīng)物在＞500℃的溫度時(shí)，熱動(dòng)力相十分穩(wěn)定，可永久性地消納CO2。SC水泥在養(yǎng)護(hù)和硬化過(guò)程中，可消納300kgCO2/t。也就是說(shuō)，生產(chǎn)SC水泥制造的混凝土僅消耗約265kgCO2/t，較PC水泥混凝土產(chǎn)生的CO2數(shù)量減少約70%。

SC水泥在制備混凝土?xí)r，通過(guò)CO2養(yǎng)護(hù)，能夠有效地將細(xì)集料、砂和粗集料破碎石子結(jié)合在一起，生成硬度高的耐久混凝土。所制成的混凝土大致比例為：50%的粗顆粒集料、33%的細(xì)顆粒集料、17%的SC水泥，在較短的養(yǎng)護(hù)硬化時(shí)間內(nèi)能夠達(dá)到ASTMC39耐壓強(qiáng)度10 000Psi（69MPa）和ASTMC78抗折強(qiáng)度＞1 100 C39 Psi（69MPa）和ASTMC78抗折強(qiáng)度＞1 100Psi（～7.6MPa）。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就達(dá)到所需強(qiáng)度?；炷恋目焖兖B(yǎng)護(hù)硬化，有利于混凝土行業(yè)在生產(chǎn)過(guò)程中的裝備利用，減少庫(kù)存及占地，促使生產(chǎn)計(jì)劃具有更大靈活性。

綜上所述，SC熟料、混凝土制品在生產(chǎn)過(guò)程中和PC熟料、混凝土相比能耗低約30%，CO2排放量減少約70%，石灰石耗用量低、硬化需水量大幅降低，硬化時(shí)間縮短至1d以內(nèi)，制品的耐久性得以改善。

現(xiàn)有的水泥熟料生產(chǎn)線工藝裝備和生產(chǎn)裝備完全能生產(chǎn)SC熟料，煅燒溫度只需1 200℃即可。而現(xiàn)有的水泥混凝土生產(chǎn)工藝設(shè)備，經(jīng)過(guò)改造后可生產(chǎn)SC混凝土制品。試驗(yàn)過(guò)程中，生產(chǎn)的SC混凝土制品有道路路面混凝土塊、砌筑樓房的砌塊、帶孔混凝土板、鐵路枕木、房梁和透光混凝土塊等，現(xiàn)正通過(guò)實(shí)際使用來(lái)探索SC混凝土的耐久、凍融等性能。

3　SC混凝土的市場(chǎng)推廣應(yīng)用

3.1聯(lián)合開(kāi)發(fā)、合作推向市場(chǎng)

混凝土制品的產(chǎn)量遠(yuǎn)居世界各種工業(yè)首位，SC混凝土制品問(wèn)世后，得到水泥、CO2和水泥制品等國(guó)際知名企業(yè)的認(rèn)可，與Solidia公司合作，加強(qiáng)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)和制造，加速產(chǎn)品推向市場(chǎng)。從2013年起，Solidia公司先后與Lafrage、Linda、CDS等公司簽署合作協(xié)議，情況如下：

Lafrage集團(tuán)是世界最大的水泥、混凝土、建筑材料的生產(chǎn)企業(yè)，多年來(lái)一直在探索磨制水泥摻入的石灰石、礦渣、粉煤灰等材料的性能，以減少水泥中熟料的摻加量，同時(shí)開(kāi)發(fā)主要成分為貝利特（C2S）的硫酸鈣（C4A3S）水泥以減少CO2的排放。但SC水泥混凝土減少的CO2排放量遠(yuǎn)較上述水泥數(shù)量大。為進(jìn)一步論證工業(yè)生產(chǎn)和使用，公司決定在美國(guó)Whitehill水泥廠生產(chǎn)5 000噸SC水泥，在北美和歐洲的混凝土企業(yè)來(lái)生產(chǎn)SC混凝土制品，主要為砌塊、道路路面混凝土塊、房樑等，并對(duì)產(chǎn)品的耐久性和生產(chǎn)成本等開(kāi)展研究。

Linda集團(tuán)領(lǐng)導(dǎo)著世界工業(yè)CO2氣體的制造、輸送裝備和工程技術(shù)。公司認(rèn)為SC混凝土是通過(guò)CO2氣體來(lái)硬化，耗用量大，必將大幅提升CO2的產(chǎn)能，相應(yīng)提升公司的CO2生產(chǎn)、供應(yīng)和管理能力。目前公司掌握CO2儲(chǔ)存及輸送的汽車(chē)、火車(chē)、輪船的專用裝備和技術(shù)，在使用基礎(chǔ)上建立示范線工程。

CDS集團(tuán)是世界上最大的混凝土制品和干燥裝備制造的公司，其產(chǎn)品遍布世界各地，認(rèn)為SC混凝土技術(shù)有助于世界建筑材料市場(chǎng)的工藝裝備技術(shù)的可持續(xù)發(fā)展。以最小投資合作改造現(xiàn)有混凝土生產(chǎn)裝備，將生產(chǎn)的CO2硬化混凝土制品推向世界各地。

3.2政府和學(xué)術(shù)部門(mén)的聯(lián)合開(kāi)發(fā)

SC混凝土能大幅降低CO2排放，得到美國(guó)有關(guān)政府部門(mén)和學(xué)術(shù)部門(mén)的重視。美國(guó)能源部固定能源技術(shù)實(shí)驗(yàn)室決定將公司開(kāi)展的CO2儲(chǔ)存研究項(xiàng)目中的110萬(wàn)美元，撥出100萬(wàn)美元用于SC混凝土技術(shù)研究，探索水、CO2的硬化時(shí)間及氣硬混凝土的機(jī)械強(qiáng)度。研究表明，氣硬混凝土的硬化時(shí)間＜24h，在每一個(gè)硬化階段SC混凝土的強(qiáng)度均相當(dāng)或超過(guò)普通水泥混凝土。實(shí)驗(yàn)室的下一階段研究的焦點(diǎn)是在商業(yè)混凝土廠樣品的CO2減少數(shù)量和儲(chǔ)備能力。

美國(guó)交通運(yùn)輸部聯(lián)邦公路局研究和發(fā)展中心對(duì)SC混凝土的機(jī)械、化學(xué)和環(huán)境的耐久性進(jìn)行檢測(cè)和確認(rèn)后在交通運(yùn)輸設(shè)施中應(yīng)用。

美國(guó)普渡（Purdue）大學(xué)和南佛羅里達(dá)（Florida）大學(xué)研究SC混凝土的耐久性，普渡重點(diǎn)研究SC混凝土凍融，除冰鹽的冰融及硫環(huán)境下的影響，南佛羅達(dá)大學(xué)研究SC混凝土內(nèi)鋼筋腐蝕及各種使用條件下的全部性能等。

美國(guó)Rutgers大學(xué)在已有SC混凝土的技術(shù)基礎(chǔ)上，繼續(xù)優(yōu)化CO2的固化過(guò)程。

4　結(jié)語(yǔ)

可持續(xù)發(fā)展世界商業(yè)理事會(huì)的水泥可持續(xù)性創(chuàng)議提出的2050年世界水泥工業(yè)減排目標(biāo)值，假定水泥工業(yè)采用SC混凝土技術(shù)，只需3年就能完成。

SC混凝土的CO2減排數(shù)值和技術(shù)性能及制造方式得到水泥、混凝土、CO2制造與運(yùn)輸和混凝土裝備制造的世界知名企業(yè)的肯定，也得到美國(guó)政府有關(guān)部門(mén)和大學(xué)的認(rèn)可。通過(guò)合作，在制造和學(xué)術(shù)領(lǐng)域提供專業(yè)知識(shí)設(shè)施和資金，將SC混凝土的研究成果轉(zhuǎn)化為有價(jià)值的世界上最大的產(chǎn)業(yè)，合作有助于加快市場(chǎng)開(kāi)拓和社會(huì)影響，創(chuàng)造一個(gè)可持續(xù)發(fā)展的水泥、混凝土行業(yè)。這項(xiàng)工作現(xiàn)正在繼續(xù)開(kāi)展中，有待我們的關(guān)注。

陳友德編譯自

No.1/2014World Cement

No.9/2015World Cement