Lafarge公司Aether?太空水泥熟料項目

1 新一代低碳太空水泥熟料

太空（Aether?）項目的研究產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。

從化學成分來看，普通水泥熟料C3S和C3A相產生大量CO2排放，而太空熟料中此二相被硫鋁酸鈣（C4A3$）相所取代。在普通水泥熟料中，C3S和C3A相具有早期流變性和機械強度，而太空水泥熟料性能是以C4A$為主，達到C2S和C4AF為主的0～7d之間的結合反應。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，原料中的硫酸鹽數量增加，生產所需原料按所在地可利用的原料進行配置。

2 工業可行性的確認

2007年，Lafarge研究中心項目開始實施，首先是尋找反應性能與硅酸鹽水泥熟料相當的不同熟料成分。在此基礎上，評估用現有裝備生產出太空熟料的可行性。與此同時，繼續研究太空熟料的成分及其煅燒工藝性能。

鑒于項目研究涉及新的水泥相，公司向歐盟有關部門和環保部門提出申請“太空水泥工業實施的可行性”的課題，有關部門批準此項目并決定在2010～2013年期間完成實施。實驗室試驗在波蘭建筑陶瓷研究院進行。在Lafarge集團的水泥生產線上生產熟料并在英國BRE混凝土研究院對太空水泥的混凝土和砂漿進行測試。

建筑陶瓷研究院位于波蘭Kra?kow，其水泥試驗裝置首次進行有關試驗，確定試驗參數和預測在工業裝備生產太空水泥的條件。選用不同細度和硫含量的半工業熟料制成的水泥，測試其凝結時間、需水量、安定性、耐壓和抗折強度、水化熱、和易性、稠度。

2011年2月，太空水泥首次進行工業可行性試驗，選用立波爾窯，其生產條件與試驗室試驗條件十分相似，8d內生產約5000t熟料，證實在現有水泥窯可生產太空水泥。

2012年12月，在法國南部的La?farges Le Teil廠對太空水泥工業可行性進行了最終的確認，采用干法工藝窯，8d內生產太空水泥約10000t。

在生產實施過程中，由Lafarge技術研究中心技術專家協助工廠人員操作窯和其他裝備，同時分析試驗的全過程，人員按時上班確保實時監測生產。

每一個試驗小組中均有工廠管理人員。技術專家負責培訓窯的操作人員，技術人員按常規采取太空水泥的原料和熟料，并對此進行分析，分析師負責編制和分析熟料質量的報表。

3 工藝必備條件及其關鍵學習點

太空水泥生產只需普通水泥生產使用的裝備而不需增設基礎設施。除了XRF熒光分析儀外，還需增設XRD衍射裝置，配置測試不同礦物相的軟件，確保正常監控產品的質量。

太空熟料的化學成分與普通水泥熟料差別較大，在轉換不同熟料生產時，必須清理生產裝置內物料，以保證產品質量。

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

此外，欠燒難于將生料內不同元素結合成熟料，而過燒造成較高的SOx排放，溫度過高使yeelimite（C4A3$）分解，易產生熔體和結圈，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低于普通水泥熟料，生產中產生的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。

4 環保性能的確定

通過二次工業試驗，證實太空水泥生產不僅可在現有水泥熟料生產線上進行工業生產，而且環境性能較好，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量的石灰石，碳酸鈣分解產生的CO2減少了10%～15%。熟料煅燒溫度較普通水泥熟料溫度低，燃料節省約5%～10%。此外，太空熟料易磨、粉磨數據顯示，熟料粉磨節約40%的能耗。

5 太空水泥的反應性能和強度的試驗

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械性能進行評估，結果令人振奮，由Aether水泥生產的混凝土在6h早期強度達到20MPa，28d的抗壓強度與標準水泥（CEMI52.R）相當。

在某些應用狀況下，太空水泥較普通水泥顯示較好的尺寸穩定性，在氣溫20℃、相對濕度50%和1d養護的條件下，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，測試抗太空水泥的風險，特別是通過試驗對結構混凝土內鋼筋的腐蝕和混凝土自身損壞的風險進行評估。現場和實驗室正加緊進行，試驗項目的第一次結論將于2013年晚些時候推出。

設計的三種混凝土代表各種不同混凝土試驗的耐久性試驗，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構上使用。

C20/30混凝土：水泥300kg/m3，水灰比0.5。用于在結構內鋼筋的部件，無集料混凝土板、墻和柱等預制件。

C35/45混凝土：水泥360kg/m3，水灰比0.45。用于在結構內鋼筋的部件，在化學腐蝕環境（如土壤中含有酸，海水氯化物）或在工業內使用。

耐久性計劃有碳侵入的測試，包括三種混凝土與普通混凝土的氧化滲透性（耐久性指數）和抗大氣碳化，減少混凝土的PH值和增加混凝土內鋼筋的風險。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，進行抗化學腐蝕如硫酸鹽或有機酸侵蝕，特別重要的是混凝土用于腐蝕土或工業使用。

7 用于特殊使用的太空水泥的發展

Lafarge公司考慮在更大范圍內使用太空水泥，例如，制造預制混凝土部件，太空水泥混凝土在6h內可達到20MPa的早期強度而無需加熱，一般水泥混凝土在此條件下強度較低，計劃于2014年首次使用太空水泥產品。