Lafarge公司Aether?太空水泥熟料項(xiàng)目

1 新一代低碳太空水泥熟料

太空（Aether?）項(xiàng)目的研究產(chǎn)品是一種專利類熟料。不是以C3S為主的普通水泥熟料，而是以C2S為主相+硫鋁酸鈣（CSA或C4A3$）和鐵鋁酸鈣相組成（此處$指SO4），其原料和熟料成分見表1。

從化學(xué)成分來看，普通水泥熟料C3S和C3A相產(chǎn)生大量CO2排放，而太空熟料中此二相被硫鋁酸鈣（C4A3$）相所取代。在普通水泥熟料中，C3S和C3A相具有早期流變性和機(jī)械強(qiáng)度，而太空水泥熟料性能是以C4A$為主，達(dá)到C2S和C4AF為主的0～7d之間的結(jié)合反應(yīng)。太空水泥熟料的原料中CaO含量少，意味著CO2排放量低，但含有十分高的SO3和Al2O3與（C4A3$）相，其化學(xué)成分可通過常用普通原料得到，如石灰石、白堊、粘土、氧化鐵，通常需要氧化鋁（鋁礬土或其他含Al的原料），和普通水泥熟料相比，原料中的硫酸鹽數(shù)量增加，生產(chǎn)所需原料按所在地可利用的原料進(jìn)行配置。

2 工業(yè)可行性的確認(rèn)

2007年，Lafarge研究中心項(xiàng)目開始實(shí)施，首先是尋找反應(yīng)性能與硅酸鹽水泥熟料相當(dāng)?shù)牟煌炝铣煞帧Ｔ诖嘶A(chǔ)上，評估用現(xiàn)有裝備生產(chǎn)出太空熟料的可行性。與此同時(shí)，繼續(xù)研究太空熟料的成分及其煅燒工藝性能。

鑒于項(xiàng)目研究涉及新的水泥相，公司向歐盟有關(guān)部門和環(huán)保部門提出申請“太空水泥工業(yè)實(shí)施的可行性”的課題，有關(guān)部門批準(zhǔn)此項(xiàng)目并決定在2010～2013年期間完成實(shí)施。實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)在波蘭建筑陶瓷研究院進(jìn)行。在Lafarge集團(tuán)的水泥生產(chǎn)線上生產(chǎn)熟料并在英國BRE混凝土研究院對太空水泥的混凝土和砂漿進(jìn)行測試。

建筑陶瓷研究院位于波蘭Kra?kow，其水泥試驗(yàn)裝置首次進(jìn)行有關(guān)試驗(yàn)，確定試驗(yàn)參數(shù)和預(yù)測在工業(yè)裝備生產(chǎn)太空水泥的條件。選用不同細(xì)度和硫含量的半工業(yè)熟料制成的水泥，測試其凝結(jié)時(shí)間、需水量、安定性、耐壓和抗折強(qiáng)度、水化熱、和易性、稠度。

2011年2月，太空水泥首次進(jìn)行工業(yè)可行性試驗(yàn)，選用立波爾窯，其生產(chǎn)條件與試驗(yàn)室試驗(yàn)條件十分相似，8d內(nèi)生產(chǎn)約5000t熟料，證實(shí)在現(xiàn)有水泥窯可生產(chǎn)太空水泥。

2012年12月，在法國南部的La?farges Le Teil廠對太空水泥工業(yè)可行性進(jìn)行了最終的確認(rèn)，采用干法工藝窯，8d內(nèi)生產(chǎn)太空水泥約10000t。

在生產(chǎn)實(shí)施過程中，由Lafarge技術(shù)研究中心技術(shù)專家協(xié)助工廠人員操作窯和其他裝備，同時(shí)分析試驗(yàn)的全過程，人員按時(shí)上班確保實(shí)時(shí)監(jiān)測生產(chǎn)。

每一個(gè)試驗(yàn)小組中均有工廠管理人員。技術(shù)專家負(fù)責(zé)培訓(xùn)窯的操作人員，技術(shù)人員按常規(guī)采取太空水泥的原料和熟料，并對此進(jìn)行分析，分析師負(fù)責(zé)編制和分析熟料質(zhì)量的報(bào)表。

3 工藝必備條件及其關(guān)鍵學(xué)習(xí)點(diǎn)

太空水泥生產(chǎn)只需普通水泥生產(chǎn)使用的裝備而不需增設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施。除了XRF熒光分析儀外，還需增設(shè)XRD衍射裝置，配置測試不同礦物相的軟件，確保正常監(jiān)控產(chǎn)品的質(zhì)量。

太空熟料的化學(xué)成分與普通水泥熟料差別較大，在轉(zhuǎn)換不同熟料生產(chǎn)時(shí)，必須清理生產(chǎn)裝置內(nèi)物料，以保證產(chǎn)品質(zhì)量。

太空熟料生產(chǎn)與普通水泥熟料相似，窯內(nèi)燒成帶的溫度范圍很窄，控制要求嚴(yán)格，以使熟料煅燒既不欠燒，又不過燒。上述情況均使產(chǎn)品早期強(qiáng)度起作用的yeelimite（C4A3$）的數(shù)量減少。

此外，欠燒難于將生料內(nèi)不同元素結(jié)合成熟料，而過燒造成較高的SOx排放，溫度過高使yeelimite（C4A3$）分解，易產(chǎn)生熔體和結(jié)圈，迫使窯停止操作，過燒熟料難于粉磨。

太空水泥熟料煅燒溫度遠(yuǎn)低于普通水泥熟料，生產(chǎn)中產(chǎn)生的NOx也少。若配料正確，熟料煅燒溫度控制得好，太空水泥熟料SOx排放與普通水泥熟料相當(dāng)。

4 環(huán)保性能的確定

通過二次工業(yè)試驗(yàn)，證實(shí)太空水泥生產(chǎn)不僅可在現(xiàn)有水泥熟料生產(chǎn)線上進(jìn)行工業(yè)生產(chǎn)，而且環(huán)境性能較好，比普通水泥CO2排放減少25%～30%。

表1 太空、普通水泥熟料成分差別

由于生料中含有較少數(shù)量的石灰石，碳酸鈣分解產(chǎn)生的CO2減少了10%～15%。熟料煅燒溫度較普通水泥熟料溫度低，燃料節(jié)省約5%～10%。此外，太空熟料易磨、粉磨數(shù)據(jù)顯示，熟料粉磨節(jié)約40%的能耗。

5 太空水泥的反應(yīng)性能和強(qiáng)度的試驗(yàn)

Lafarge和英國BRE研究人員對太空水泥制成的砂漿和混凝土的耐久性及機(jī)械性能進(jìn)行評估，結(jié)果令人振奮，由Aether水泥生產(chǎn)的混凝土在6h早期強(qiáng)度達(dá)到20MPa，28d的抗壓強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)水泥（CEMI52.R）相當(dāng)。

在某些應(yīng)用狀況下，太空水泥較普通水泥顯示較好的尺寸穩(wěn)定性，在氣溫20℃、相對濕度50%和1d養(yǎng)護(hù)的條件下，太空水泥混凝土較普通水泥混凝土收縮量少50%。

6 太空水泥混凝土的耐久性

Lafarge和BRE公司制定了全面的耐久性試驗(yàn)，測試抗太空水泥的風(fēng)險(xiǎn)，特別是通過試驗(yàn)對結(jié)構(gòu)混凝土內(nèi)鋼筋的腐蝕和混凝土自身損壞的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評估。現(xiàn)場和實(shí)驗(yàn)室正加緊進(jìn)行，試驗(yàn)項(xiàng)目的第一次結(jié)論將于2013年晚些時(shí)候推出。

設(shè)計(jì)的三種混凝土代表各種不同混凝土試驗(yàn)的耐久性試驗(yàn)，即：

C20/25混凝土：水泥240kg/m3，水灰比0.6。在無鋼筋混凝土的非結(jié)構(gòu)上使用。

C20/30混凝土：水泥300kg/m3，水灰比0.5。用于在結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的部件，無集料混凝土板、墻和柱等預(yù)制件。

C35/45混凝土：水泥360kg/m3，水灰比0.45。用于在結(jié)構(gòu)內(nèi)鋼筋的部件，在化學(xué)腐蝕環(huán)境（如土壤中含有酸，海水氯化物）或在工業(yè)內(nèi)使用。

耐久性計(jì)劃有碳侵入的測試，包括三種混凝土與普通混凝土的氧化滲透性（耐久性指數(shù)）和抗大氣碳化，減少混凝土的PH值和增加混凝土內(nèi)鋼筋的風(fēng)險(xiǎn)。此外，兩種混凝土用于抗氧侵蝕，將混凝土暴露在海水或除冰的鹽水中，進(jìn)行抗化學(xué)腐蝕如硫酸鹽或有機(jī)酸侵蝕，特別重要的是混凝土用于腐蝕土或工業(yè)使用。

7 用于特殊使用的太空水泥的發(fā)展

Lafarge公司考慮在更大范圍內(nèi)使用太空水泥，例如，制造預(yù)制混凝土部件，太空水泥混凝土在6h內(nèi)可達(dá)到20MPa的早期強(qiáng)度而無需加熱，一般水泥混凝土在此條件下強(qiáng)度較低，計(jì)劃于2014年首次使用太空水泥產(chǎn)品。