За последние годы в Великобритании существенно повысились цены и квотирование поставок как в отрасли, производящей портлендцемент, так и в отрасли, производящий цемент со шлаком.

Компания Cenin Ltd создала Центр передовых технологий для производства заменителей цемента, которые были бы эквивалентны по параметрам шлаковому цементу, и производились бы со стопроцентным использованием возобновляемой энергии и из ста процентов материала, утилизированного для повторного использования. Возможно, что на сегодняшний день это единственный подобный центр в мире. Углеродное воздействие компании на окружающую среду, возможно,  самое небольшое в отрасли, связанной с производством цемента. В результате, компания Cenin Ltd получила возможность восполнить имеющийся пробел, создав альтернативный заменитель цемента.

Насколько нам известно, строительная отрасль Великобритании подвергается квотированию в том, что касается производства портлендского и шлакового цементов. То же самое имеет место и во многих штатах США. Эта ситуация наглядно показала, что есть возможность использовать альтернативный заменитель цемента в строительной промышленности, как в Великобритании, так и в США.

В Великобритании и многих других странах площадки для захоронения отходов, в целом, становятся все более переполненными, и они слишком дорого обходятся производителям отходов. В результате, повсюду, где только возможно, необходимо сводить к минимуму количество материалов, которые отправляются на захоронение. Если никак нельзя предотвратить образование отходов, то очень привлекательной становится идея о создании альтернативного использования с другой технологией, прежде чем решать вопрос об окончательном захоронении.

Основным вопросом, который всегда возникает в этой связи, является вопрос о том, что, собственно, является отходами, и что является побочным продуктом. Поэтому хотелось бы, разумеется, иметь точное определение этих понятий. На протяжении многих лет существуют разногласия по вопросу определения этих понятий между промышленностью и органами по защите окружающей среды, в особенности, это касается сталелитейной и энергетической отраслей.

Так, например, ведется непрерывная дискуссия между отраслью по поставкам электроэнергии (ESI) и Агентством по охране окружающей среды Великобритании (EA). EA Великобритании считает, что зольные продукты работающих на угле электростанций, такие как пульверизованная топливная зола (PFA) и зола от сжигания твёрдого топлива (FBA), являются отходами. А ESI не согласна, чтобы их считали отходами, когда их продают для использования в строительной промышленности.

В отличие от этого, EA Великобритании недавно согласилось с аргументами сталелитейной промышленности, которая утверждала, что доменный шлак (BFS) и гранулированный доменный шлак (GGBS) являются побочными продуктами. EA Великобритании сделало заявление о такой своей позиции после продолжительного и сосредоточенного лоббирования со стороны Британской Ассоциации карьерных продуктов и сталелитейной промышленности, которые стремились обеспечить сохранение почти 3 метрических тонн BFS для нужд национальной строительной отрасли Великобритании. Позиция отрасли в том, что касалось BFS, была также поддержана недавно опубликованным распоряжением Европейской комиссии, в котором BFS был использован как пример побочного продукта.

Глобальное потепление и изменение климата являются самыми значительными экологическими проблемами, которые в настоящее время стоят перед обществом, причем электростанции, объекты сталелитейной и цементной отраслей все являются крупными загрязнителями окружающей среды. Компании, производящие шлаковый цемент, вероятно, являются на сегодняшний день компаниями, производящими продукт, менее всего наносящий ущерб окружающей среде, по заявлениям компаний, они производят лучший в мире углеродно-нейтральный бетон (www.carbonneutralconcrete.ie).

Компания Cenin Ltd создала Центр передовых технологий для производства заменителей цемента, которые были бы эквивалентны по параметрам шлаковому цементу, и производились бы со стопроцентным использованием возобновляемой энергии и из ста процентов материалов, утилизированных для повторного использования. Возможно, что на сегодняшний день это единственный подобный центр в мире. Гэри Хант является техническим директором Celtic Cement Technology (CCT), он занимается исследованием и оценкой использования альтернативных материалов последние 15 лет. На протяжении этого периода были подвергнуты испытаниям более 50 видов промышленных отходов и побочных продуктов, и получены значительные результаты. В рамках этого исследования рассматривался широкий диапазон шлаков из всех секторов сталеварения. Все они были изучены, а затем была составлена обширная база данных по таким материалам. Задачей настоящей статьи является представление данных о результатах этой работы и характеристика  глубины знаний, которые были накоплены за этот период.

Материалы

Заменители цемента, представленные в данной работе, были созданы из сырьевых материалов, которые в настоящее время направляются на захоронение, накапливаются, нанося ущерб окружающей среде, и портят вид местности, или же используются как низкозатратные побочные продукты, что все-таки приводит к затратам для производителя таких материалов. Используемые материалы получены из самых различных секторов промышленности, которые выходят за рамки обычных отраслей, таких как черная металлургия, сталелитейное производство, энергетика и горнодобывающая промышленность.

Технология была разработана на основе опыта, полученного CCT в ходе проведенных обширных исследований, она включает использование тепловой обработки, распределения частиц по размерам и химического инжиниринга. CCT разработала систему анализа материалов из 15 пунктов, чтобы обеспечить соответствие заменителя цемента, который будет создан, всем имеющимся требованиям стандартов EN 196. Кроме того, компания Cenin ввела в действие систему полного контроля качества (QA) для обеспечения соответствия требованиям, предъявляемым стандартами EN 197. Цементы и заменители цемента обозначаются как 'C’; сюда включается портлендский цемент (PC), GGBS и PFA.

Таблица 1: Диапазон химических компаундов, содержащихся в портлендском цементе, GGBFS и PFA. (основные компаунды зеленым; следовые компаунды красным)

В таблице 1 перечислены основные компаунды, которые необходимы для того, чтобы оптимизировать эксплуатационные характеристики цемента (зеленым). Элементы, присутствующие в очень малом количестве, помеченные красным, от природы встречаются в РC, GGBS и PFA. Хоты некоторые из таких элементов, присутствующих в очень малом количестве, играют определенную роль при образовании химических компаундов во время гидратации, наибольшее внимание CCT уделяет основным элементам.

Многие промышленные отходы и побочные продукты также содержат те же элементы, которые имеются в в портлендском цементе, GGBS и PFA. Тем не менее, в этих материалах имеется значительно более широкий диапазон элементов.

Экспертам отрасли хорошо известно, какую роль играют такие следовые компаунды, присутствующие в упомянутых выше цементах и сырьевых материалах. Также хорошо известно, какое воздействие оказывают эти следовые компаунды во время гидратации раствора или бетона. Поэтому в данной статье мы будем далее заниматься только основными элементами. Также до конца данной статьи будет осуществляться сопоставление между портлендским цементом, GGBS, цементом Cenin и отсортированной PFA.

Процедуры и результаты исследования

В ходе разработки альтернативных замен цемента мы разделили нашу оценку на две части: химическую оценку и физическую оценку. Вся работа по разработке осуществлялась в нашей лаборатории по изучению цемента, расположенной в ECM2, который представляет собой государственный исследовательский центр Собрания Уэльса, созданный на основе предприятия Corus Steel в Порт Тэлботе, Южный Уэльс, Великобритания.

Работа CCT также была сертифицирована аккредитованной независимой лабораторией в Великобритании. К числу таких лабораторий относятся и коммерческие, и университетские лаборатории. Основная исследовательская работа осуществлялась в Школе гражданского строительства Кардиффского университета, в котором Гэри Грант был на протяжении шести лет приглашенным почетным научным сотрудником.

Химические параметры: XRF

Используя анализ на основе рентгеновской флуоресценции (XRF), компания CCT смогла разработать таблицу необходимых элементов, и на основе этих таблиц CCT смогла осуществить сравнение соотношений основных элементов, особенно, соотношений кальция и кремния, которые существуют в портлендском цементе, GGBS и цементе Cenin.

Из таблицы 2 можно видеть, что, к примеру, имеются существенные различия в соотношениях кальция и кремния для PC и GGBS. Можно также видеть, что при увеличении степени замещения PC GGBS эти соотношения становятся ближе друг к другу.

Таблица 2 (внизу): Изменения соотношения основных компаундов при композитном цементе PC/GGBFS

GGBS представляет собой прекрасный конструкционный и углеродно-нейтральный цемент, поэтому мы также можем произвести аналогичный продукт. Тем не менее, мы можем поддерживать лучшее соотношение кальция и кремния, или попеременно подстраиваться под соотношения GGBS, как показано в таблице 3.

Талица 3. (сверху): Изменения соотношения основных компаундов при композитном цементе РС/Сenin2

Из данных, приведенных в таблице 4, можно видеть, что, используя технологию Cenin, можно еще больше повысить соотношения кальция и кремния так, чтобы они соответствовали соотношениям в портлендском цементе.

Таблица 4. (сверху): Изменения соотношения при композитном цементе РС/Сenin 1

Химические параметры: XRD

Используя анализ с применением рентгеновской дифракции (XRD), можно осуществлять мониторинг фазовых изменений во время гидратации цемента, и сопоставлять изменения, которые имели место между PC и GGBS. Имея такую информацию, можно химическим образом создать заменитель, который будет соответствовать произошедшим изменениям. Важно подчеркнуть, что компания CCT способна создавать заменитель по индивидуальным параметрам для различных применений и технологий. Это уникальная способность компании Cenin Ltd

На рисунке 1 приведено изображение фаз компаунда, которые образуются во время гидратации цемента. Также известно, что имеются фазы с композитными цементами, такими как композит PC/GGBS. Для целей данной статьи мы сейчас рассмотрим только следующие химические обозначения: трёхкальциевый силикат (C3S), двухкальциевый силикат (C2S), четырехкальциевый алюмоферрит (C4AF), также известный как Brownmillerite, и кальцит. Рисунок 1 показывает, что к 12 часам фазы C3S и кальцита стабилизируются. На рисунках 2 и 3 можно видеть, что фаза кальцита прочнее фазы C3S в композитных цементах при снижении процента присутствующего C3S ниже 30% при сочетании с GGBS и ниже 20% с цементом Cenin.

На рисунке 4 можно видеть, что, в случае наличия цемента 50% PC/50% GGBFS, процентное содержание кальцита повышается до значений, превышающих 40%. При GGBS фаза C3S уменьшается примерно до 20%,  так же, как Cenin, но здесь интересно отметить, что установлено, что фаза C3S остается на примерно 20% и при 25%, и при 50% уровне замены при использовании композитного цемента от Cenin (график не показан).

Рисунок 1 (внизу): График, показывающий основные фазы, которые усиливаются со временем в портлендском цементе (PC)

Рисунок 2 (справа): График, показывающий основные фазовые изменения с композитным цементом 75% PC/25% GGBFS

Рисунок 3 (снизу): График, показывающий основные фазовые изменения с композитным цементом 75% PC/25% Cenin

Рисунок 4 (слева): График, показывающий основные фазовые изменения с композитным цементом 50% PC/50% GGBFS

Использование методологии, разработанной CCT, позволяет производителям химическим способом создавать компаунды, которые образуются при использовании в качестве композитного цемента, что позволяет им варьировать температуру гидратации, время схватывания и формирование прочности. Это позволяет производителю создавать заменители цемента по индивидуальным параметрам в соответствии с требованиями конечного потребителя, изготавливая эффективные цементы на заказ. Сырьевые материалы те же, но изменения осуществляются за счет сочетания тепловой обработки, гранулометрического распределения частиц и химического смешивания.

Проблемой, с которой сталкивается отрасль при использовании GGBS, является невозможность получения высокой прочности на ранних этапах без увеличения общего содержания цемента. Кроме того, использование GGBS в холодных условиях ограничено, поскольку при низких температурах бетон схватывается очень долго или же вообще не схватывается. В условиях жаркого климата GGBS дает существенные преимущества, поскольку он снижает теплоту при гидратации и поэтому сводит к минимуму образование трещин при перегреве. При использовании цемента Cenin можно варьировать эти условия, отодвигая время схватывания и снижая теплоту гидратации в условиях жаркого климата, и увеличивая эти параметры в холодных климатических условиях.

На рисунке 5 показано, что за счет химического инжиниринга изменений компаунда, можно получить ту же прочность, что у портлендского цемента, за семь дней при использовании композитного цемента Cenin. Технологию Celtic Cement Technol¬ogy также можно применять существующим производителям шлакового цемента для улучшения эксплуатационных характеристик в том, что касается времени схватывания, развития прочности и твердения бетона в условиях холодного климата. На рисунке 6 можно видеть, что можно улучшить нарастание прочности GGBS. Более того, через 28 дней у него будет прочность, равная прочности портлендского цемента.

Рисунок 5 (слева): График, показывающий воздействие нарастания прочности за счет химического инжиниринга изменений фаз компаунда с композитным цементом Cenin по сравнению с GGBFS

Рисунок 6. (внизу слева) График, показывающий нарастание прочности РС (синий), GGBFC (пурпурный)  и цемента Cenin (красный).

 Обсуждение и заключение

В данной статье было показано, что можно создать с помощью химического инжиниринга заменители цемента для изменения и совершенствования свойств цемента. Заменители цемента можно производить из альтернативных материалов для того, чтобы получить равные или улучшенные эксплуатационные характеристики портлендского цемента и цемента GGBFS. Также можно получить добавленную стоимость по сравнению с имеющимся цементом GGBFS для изменения или улучшения химических и физических свойств GG¬BFS за счет использования технологии, применяемой CCT.

Эти свойства были получены в результате более чем пятнадцатилетних исследований и разработок, а также на основе обширного опыта, накопленного нами за этот период. Данная технология представляет собой уникальное сочетание тепловой обработки, распределения частиц по размерам и химического инжиниринга.

Хорошо известно и подтверждено документально, что при надлежащих концентрациях замещения композитный цемент PC/GGBS приобретает прочность выше прочности портлендского цемента, используемого в чистом виде. Вероятно, GGBFS является в настоящее время самым лучшим цементом для гражданского строительства, который имеется в строительной промышленности.

В компании Cenin абсолютно уверены, что она только одна из компаний, которые могут производить заменитель цемента, равный по прочности портлендскому цементу за семь дней. Это также высокорентабельное решение.

Это действительно высоко возобновляемая технология, разработанная с использованием стопроцентно возобновляемой энергии и стопроцентно утилизированных для повторного использования материалов. Возможно, на сегодняшний день это технология с самым незначительным углеродным воздействием на окружающую среду в отрасли. Информация, предоставленная в данной статье, является результатом многолетнего исследования, которое проводилось Cenin и независимыми испытательными лабораториями, как на промышленных, так и на научных мощностях в Великобритании и Ирландии

С анализом российского рынка металлургических и топливных шлаков Вы можете познакомиться в отчете Академии Конъюнктуры Промышленных Рынков «Рынок шлаков в России».

Автор:

Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков
Тел.: (495) 918-13-12, (495) 911-58-70
E-mail: mail@akpr.ru
WWW: www.akpr.ru

Об авторе:
Академия Конъюнктуры Промышленных Рынков оказывает три вида услуг, связанных с анализом рынков, технологий и проектов в промышленных отраслях - проведение маркетинговых исследований, разработка ТЭО и бизнес-планов инвестиционных проектов.
• Маркетинговые исследования
• Технико-экономическое обоснование
• Бизнес-планирование