CO2减排水泥Solidia气硬性水泥、混凝土

CO2减排水泥Solidia气硬性水泥、混凝土

全世界年消耗混凝土超过170亿吨，水泥约36亿吨，是地球上消耗最多的材料之一。按照美国能源部统计数据，水泥生产所排放的CO2约占人类活动产生的CO2总量的5%。每吨普通硅酸盐熟料（简称PC熟料）产生的CO2为810kg。

近些年来，欧洲的水泥公司对水泥熟料的化学成分开展研究，开发出一些与PC熟料化学成分较为接近和差距较大的低CO2排放的新品种水泥，主要有：

·Lafrage公司的Aether水泥，主要成分为贝利特（C2S）和硫铝酸钙（C4A3S）。

·Celitement公司的Celitement水泥，主要成分为含水硅酸钙。

·Novacem公司的Novacem水泥，通过对天然硅酸镁煅烧所得到的以氧化镁为基本成分的水泥。

·Zeobond Pty公司的E-Crete，源于活性火山灰的地质聚合物。

上述产品均有其特殊的性能，得到混凝土行业的认可，但市场推广进度较慢。

图1　普通水泥（PC）和Solidia水泥（S.C）相图所在部位

1　Solidia水泥化学和综合性能

Solidia水泥（简称S.C水泥）主要由低石灰含量的假灰硅石/假硅灰石（CaO·SiO2）和硅钙石（3CaO·2SiO2）等硅酸盐组成，Solidia熟料（简称S.C熟料）含有42%～48%的石灰（CaO）。由阿利特（3CaO·SiO2）、贝利特（2CaO· SiO2）、铝酸三钙（3CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4·CaO· Al2O3·Fe2O3）等硅酸盐组成的PC熟料含量为65%～70%的石灰（CaO）。二者相比，S.C熟料所含CaO较PC熟料少得多，两种水泥的化学成分均为CaO、SiO2和Al2O3，但矿物成分不一，三元相图所在部位见图1。

PC水泥和S.C水泥生产所需原料相同，制造工艺装备和操作方式均相似。采用现PC水泥工艺生产装备即能快速有效地生产S.C水泥。

PC水泥与S.C水泥的差别之处是：生产S.C水泥，熟料矿物的CaO含量低，CO2排放量较PC水泥低。此外PC水泥制备混凝土时，需水养护、硬化，属水硬性水泥。而S.C水泥制备混凝土时，需在CO2气体内养护，是气硬性水泥。在养护过程中，消纳CO2，相应减少CO2的数量。

两种水泥制造时，均需石灰石（CaCO3）作石灰（CaO）的原料，砂岩、粘土或页岩作SiO2原料。生产PC熟料所需的石灰石含量超过70%，而S.C熟料仅为50%。

PC和S.C水泥熟料在煅烧过程中，当温度超过800℃时，碳酸钙分解，生成CaO和CO2。PC水泥制造时，每吨PC水泥熟料排放540kgCO2，而S.C水泥熟料，排放仅375kgCO2，较PC水泥熟料减少30%。

当生料加热至1450℃时，PC水泥熟料生成C3S、C2S、C3A和C4AF。反应方程式如下：

S.C熟料生产时，当生料加热至1200℃时，生成CS、C3S2，其反应方程式为：

3CaO+SiO2→CaO·SiO2（C·S）

3CaO+2SiO2→3CaO·2SiO2（C3S2）

PC水泥熟料煅烧温度高，每吨熟料耗用燃料燃烧所产生的CO2为270kg，S.C水泥熟料煅烧温度低，产生的CO2为190kg。

表1为生产PC和S.C水泥熟料石灰石分解和燃料燃烧所排放的CO2数量。

图2　S.C气硬性水泥混凝土

表1　PC和SC熟料生产所排放的CO2，kg/t

2　CO2养护S.C水泥混凝土

胶凝材料分水硬性和气硬性，PC水泥属水硬性，制成混凝土时，在养护和硬化过程中，水与水泥中C3S和C2S作用，生成不定形的C-S-H胶体，其水化过程相当慢，一般需28d达到硬度目标值。S.C水泥属气硬性，制成混凝土时，在养护和硬化过程中，水与S.C水泥中的C2S和C3S2作用甚少，而S.C水泥在水和CO2同时存在养护时快速作用，反应方程式如下：

CaO·SiO2+CO2+H2O→CaCO3+SiO2+H2O

3CaO·2SiO2+3CO2+H2O→3CaCO3+2SiO2+H2O

反应方程式表明，S.C水泥养护和硬化过程中，不消耗水。反应生成物为碳酸钙（CaCO3）和不定形的氧化硅（SiO2）。上述反应物在超过500℃的温度时，热动力相十分稳定。因此提供一个安全有效的方式，永久性地消纳CO2。每吨S.C水泥在养护和硬化过程中可消纳300kgCO2。

S.C水泥在制备混凝土时，通过CO2养护，能够有效地和细集料砂子、粗集料破碎石子结合在一起，生成硬度高的耐久性混凝土（图2）。配制S.C水泥的混凝土由50%的粗颗粒集料、33%的细颗粒集料、17%的S.C水泥组成。在较短的养护硬化时间内能够达到ASTM C39耐压强度超过69MPa和ASTM C78抗折强度超过7.5MPa。举例如下：10mm厚的屋顶瓦片，仅需10h养护就能达到强度需求值。铁道所需的250mm厚的混凝土垫，养护仅需24h就可达到所需强度。在生产过程中，快速养护硬化有利于混凝土行业装备利用、库存及生产计划更大的灵活性。

3结语

S.C水泥是气硬性胶凝物质结合剂，可用于生产混凝土制品。

S.C水泥熟料在制造过程中，消耗的石灰石和燃料较PC水泥熟料少，CO2排放相应减少。此外，在养护和硬化过程中也可消纳CO2，十分有利于水泥和混凝土在制造过程中减少CO2排放值。

S.C水泥和常规的PC水泥相比，具有如下优点：

·水泥生产，减少CO2排放约30%。

·混凝土养护和硬化过程中，永久性消纳CO2，其数量为水泥重量的30%。

·生产混凝土产品和制造水泥时，CO2减少70%。

·S.C气化混凝土和PC水泥混凝土性能相当或少许超过。

·S.C水泥和PC水泥生产所需的原料和工艺生产装备及生产操作相同或相似。

在现有开发的基础上，S.C水泥及其所配制的混凝土性能还需进一步优化，耐久性能有待进一步实践，一些相关的标准有待制定和完善，之后才能在市场上大量应用。

陈友德编译自

No.1/2014 World Cement