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低碳环保要求下的水泥混凝土创新

发布日期:2019-04-15 作者:徐永模  陈玉 中国混凝土与水泥制品协会 点击:

低碳环保要求下的水泥混凝土创新

徐永模  陈玉

中国混凝土与水泥制品协会

自上世纪40年代起,水泥生产过程中排放的二氧化碳就开始逐步增加。据统计,2003年水泥生产过程中排放的二氧化碳占全球二氧化碳总量的5%[1]2006年的研究表明该比例增加到8%[2]。在全世界范围内,水泥的需求量将会持续增长,同时带动水泥产量增加,预计2050年全球水泥总产量将在36.9[3]50亿t[2],相当于2010年全球产量的2.5倍。随之而来,二氧化碳排放量也将持续增加,到2050年,水泥生产过程中排放的二氧化碳将占全球二氧化碳总排放量的20%[3]30%[2]。无论是对社会,还是对自然环境,这都将成为巨大的负担。

在此背景下,低碳环保成为水泥混凝土产业发展的必然方向,行业应当积极寻找可持续发展的路径。水泥混凝土材料的创新实际上就是特种混凝土的创新。在水泥混凝土材料体系创新的过程中,绝大多数创新是解决具体工程问题的技术创新,属于对混凝土材料体系进行补充和提高的末端创新;而前端创新,则立足于新材料的研究,有可能会出现根本性和颠覆性的创新。

一、特种混凝土发展的技术路线

混凝土是成分复杂的复合材料,原材料包括水泥、水、矿物掺合料、外加剂和骨料等。特种混凝土发展的方向也在各个组分中有所体现。在特种水泥的研究方面,主要包括不同熟料矿物比率的硅酸盐水泥、铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥以及这些不同水泥的复合。矿物掺和料的研究主要包括:大量掺加磨细矿渣粉、粉煤灰、硅灰和石灰石粉等工业固废与天然矿物;在混凝土中加入各种纤维增强以改善混凝土的性能,如加入石棉、玄武岩纤维、钢纤维、玻璃纤维、聚合物纤维和植物纤维等矿物纤维。外加剂的研究主要是无机盐与聚合物外加剂的改性;在混凝土中加入水溶性乳液、乳胶粉、环氧树脂等聚合物,以改善混凝土的性能。在骨料的研究方面,现阶段由于国家环保政策的趋紧和天然砂资源的逐渐枯竭,工程界开始大量应用机制砂,预计未来机制砂石将是混凝土的主要骨料类型。人工烧制的轻骨料则是骨料创新的另一个重要发展方向。轻骨料具有轻质、高强、绿色环保、可协同处置淤泥、污泥以及各种工业固废的优点。另外,轻骨料也能够实现一些特殊的功能,比如混凝土内养护、浸润相变材料和混凝土自愈合组分等。

二、水泥熟料的发展历程和方向

(一)早期的高钙化发展

从水泥早期的发展历程来看,经历了一个低温烧成逐渐到高温烧成、水泥窑生产技术不断进步、阿利特含量不断增加的过程。表1是1914~1984年英国水泥中阿利特和贝利特的比例变化过程[4],从中可以看出,1914年水泥中阿利特大约仅占25%,贝利特大约占45%,之后阿利特的比例不断增加,贝利特逐渐减少;1984年阿利特占54%~63%,贝利特占8%~27%,与现代水泥中阿利特占50%~70%、贝利特占15%~30%的比例相吻合[5]

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(二)高钙化问题

2002年,我国建材行业第一个973项目高性能水泥基础研究采用高钙熟料技术路线[6],通过掺杂氟硫复合矿化剂等方法,使阿利特含量从50%~60%提高到70%,然而该项目并没有得到推广。原因是提高阿利特含量的技术较为复杂,需要高品质的石灰石,其耗能和排放较普通硅酸盐水泥更高,同时高碱度会引起严重的碳化等耐久性问题。随着优质石灰石资源的逐渐减少、环保意识的逐渐提高以及工程界对耐久性更加重视,该特种水泥未能实现大规模产业化。

2009年,我国建材行业第二个973项目“水泥低能耗制备与高效应用的基础研究”[7],通过离子掺杂方法和优化高胶凝性熟料相组成,燃烧温度从1400℃降低至1300℃,降低熟料烧成能耗,通过提高粉磨效率来降低水泥粉磨电耗,并高效复合矿物掺合料。

从以上两个比较典型的水泥材料研究课题思路的改变可以看出,国内水泥行业从一开始追求高钙、高强度以及所谓的“高性能”,逐步转向低钙、低碳、耐久性,这是新时期水泥混凝土材料研究发展的必然方向。目前水泥混凝土产业中实现低碳低钙水泥的方法包括:使用矿物掺合料替代水泥熟料,提高熟料烧成效率、降低能耗和碳排放,用替代能源减少传统能源的消耗等。

(三)水泥熟料低钙化

1. 熟料与矿物掺合料

普通硅酸盐水泥熟料与矿渣、粉煤灰硅灰、石灰石等进行复合,生产各类复合水泥。已经建立的成熟的国家标准如GB 175—2007《通用硅酸盐水泥》,规定通用硅酸盐水泥按混合材料的种类和掺量分为硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水泥和复合硅酸盐水泥[8]。在混凝土产业,用矿物掺合料替代部分硅酸盐水泥配制各个强度等级的混凝土已经是行业惯例。矿物掺合料的添加,可以致密水化物微结构,减少水化物中氢氧化钙的含量,满足工作性和强度发展的需求[9],并提高抗渗性、抗冻融循环、抗裂性等耐久性能[10,11]。国内已建立作为混凝土掺合料的标准,如针对粒化高炉矿渣粉的GB/T 18046—2017《用于水泥、砂浆和混凝土中的粒化高炉矿渣粉》[12],针对粉煤灰的GB/T 1596—2017《用于水泥和混凝土中的粉煤灰》[13]等标准。

2. 欧洲“烧粘土-熟料复合水泥”

“烧粘土-熟料复合水泥”是指将粘土在650℃~ 800℃之间低温煅烧,并按一定比例与熟料进行复合之后的水泥。“烧粘土-熟料复合水泥”是国内外的研究热点[14-17],不同粘土来源、不同煅烧温度等会产生不同比例的偏高岭土成分及火山灰反应活性。用烧粘土替代熟料20%~30%左右,可提高混凝土的致密性,提高早期强度和长期耐久性;同等强度等级可替代熟料50%。目前该水泥在欧洲应用和推广比较顺利,正在制定欧洲标准。

3. 地质聚合物和碱性激发材料

尽管地质聚合物和碱性激发材料不大可能完全代替普通硅酸盐水泥,但是从减少水泥用量从而降低混凝土行业碳排放的角度来说,是具有一定发展空间的。目前关于两种材料的科学概念仍然有一定的争议,一般认为碱激发材料中Si的聚合度比较低,即Q2Q21Al)具有较高的钙含量;在地质聚合物中,有更多的Q42Al)和Q43Al),并且钙含量低或没有,呈较为稳定的三维立体结构[18-20]。但从国内外的实际情况来看,两种材料的研究和应用有混合的趋势。总的来说,地质聚合物和碱性激发材料与普通硅酸盐水泥相比,能够通过控制配合比等方法进行材料设计,得到更好的性能,比如抗酸和硫酸盐腐蚀[21,22]、更好的抗热性[23,24]、干缩徐变更低[25],甚至更高的强度[26]。目前,地质聚合物和碱性激发材料仍集中在科学研究和小规模试用,限制其大规模应用和发展的主要原因是原材料资源的多样性,原料的标准化与资源的普遍性仍是需要解决的问题。在世界范围内,绝大多数国家胶凝材料的标准和规范并没有包括地质聚合物和碱性激发材料的应用[27]。据了解,目前乌克兰已经建立了碱激发材料的国家标准[28]

4. 低钙水泥

高贝利特水泥和硫铝酸钙-贝利特系列水泥在国际上早有研究,虽然在基础研究方面国外比较深入,但在各种特种混凝土的开发应用上,中国领先于世界。

(1)高贝利特水泥

一般来讲,高贝利特水泥指的是贝利特质量百分含量为50%~65%、阿利特质量百分含量为20%~30%的硅酸盐水泥。高贝利特水泥的生产、设备和流程与普通硅酸盐水泥基本相同,窑内煅烧温度为1350℃左右,比普通硅酸盐水泥降低100℃左右,生产过程中每吨水泥二氧化碳排放量约为660千克,尾气排放满足国标要求。高贝利特水泥水化热低,7天水化热仅为普通硅酸盐水泥的57%;采用相同配合比设计的混凝土28天强度与普通硅酸盐水泥混凝土相当,后期强度则高于普通硅酸盐水泥;外加剂适应性强;混凝土耐久性与普通混凝土相当或更优。高贝利特水泥非常适合在大体积混凝土、大坝混凝土等特定工程中应用,目前已经进行了商业化尝试,在白鹤滩、乌东德、大唐万家口等水电站大坝上全坝应用。

(2)硫铝酸钙-贝利特水泥

硫铝酸钙-贝利特水泥中主要的矿物是硫铝酸钙和贝利特,其中硫铝酸钙含量40%~65%。硫铝酸钙-贝利特水泥的窑内煅烧温度为1300℃~1350℃,碳排放量为普通硅酸盐水泥熟料的60%~75%;可采用工业废弃物进行生产。硫铝酸钙-贝利特水泥已经商业化生产多年,应用于水泥自流平/磨石地坪、GRC装饰混凝土、超高性能混凝土、快速修补、高性能灌浆料等特种产品中。

三、普通硅酸盐水泥吸收二氧化碳的研究

众所周知,发生水化后的混凝土能够持续从环境中吸收二氧化碳,因而有一种观点认为,从混凝土全生命周期的角度来看,混凝土对环境的影响不大。但是混凝土能吸收多少二氧化碳,是个需要进行探讨的问题。国外学者[29~31]统计并估算了水泥混凝土在70年的生命周期中以及破碎之后30年之内吸收二氧化碳的量。以丹麦为例(如图1所示,红柱表示2003年丹麦生产的混凝土的体积,绿色表示在70年生命周期内混凝土发生碳化的体积,蓝色表示破碎后30年内混凝土发生碳化的体积),丹麦2003年制备的混凝土,在达到生命周期即70年时,37%的混凝土发生了碳化;假定按照丹麦现有混凝土破碎的比例,即88%的混凝土进行破碎,破碎之后发生碳化的混凝土会急剧增加,到100年的时候,有86%的混凝土发生了碳化。假定发生碳化的水化物包括100%的氢氧化钙、多硫型钙矾石和单硫型钙矾石以及50%的凝胶,则水泥水化物中75%的氧化钙能够发生碳化,则在70年生命周期中混凝土吸收的二氧化碳占水泥煅烧过程中释放出的二氧化碳总量的24%;经过混凝土破碎之后,到100年的时候混凝土吸收的二氧化碳占水泥煅烧过程中释放出的二氧化碳总量的57%。值得注意的是,该数据并未考虑煤炭燃烧释放的二氧化碳。由于丹麦的再生混凝土利用率在全世界范围内都是较高的,丹麦破碎混凝土颗粒较细,并且该模型假定发生碳化的水化物也比较多,所以说在100年内,水泥混凝土吸收二氧化碳的量约占水泥煅烧过程中释放出二氧化碳总量的57%这一数据是比较高的。表2显示了国外对100年内水泥混凝土吸收二氧化碳的研究结果,挪威、瑞典和冰岛等北欧国家100年内吸收的二氧化碳占熟料煅烧过程中释放出的二氧化碳比例大概为33%、34%。美国学者[31]在未考虑破碎混凝土对碳化影响的情况下,对美国混凝土的碳化情况进行调研和估算认为,通过碳化吸收二氧化碳的量仅占水泥煅烧过程中释放出二氧化碳总量的7.6%;挪威的研究中[30]由于采取了不同的参数,计算出来的比例是16%。

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1   丹麦水泥混凝土[29]100年内二氧化碳吸收情况

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 从以上研究可以看出,从混凝土生产之后的100年内,混凝土吸收的二氧化碳占熟料煅烧过程中释放出的二氧化碳的量与很多因素有关,如混凝土到达生命周期之后是否进行破碎处理,破碎混凝土占总量的多少,破碎处理程度如何,破碎成多大的块状等。其次,混凝土进行破碎之后,能够在较短时间内快速吸收二氧化碳,但直到100年时仍然无法完全吸收在生产过程中释放的二氧化碳,目前计算得出该比例的最高值不超过57%。随着混凝土向高性能、高耐久性、高强度发展,混凝土吸收二氧化碳的能力会随之降低。最后,水泥混凝土的碳化是与水化产物中的氧化钙发生反应,但是否与C-S-H凝胶、单硫型钙矾石和多硫型钙矾石发生反应,各种研究还不确定,导致最后的计算结果相差较大,所以只有对混凝土碳化程度进行更加深入的研究,才能更精确地估计混凝土在全生命周期中真实的碳排放量。

四、新型“气硬性”硅酸钙水泥Solidia

(一)Solidia水泥的碳化反应

Solidia是美国发明的一种新型“气硬性”硅酸钙水泥,它的主要矿相是钙硅石(CaO·SiO2)和硅灰石(3CaO·2SiO2)。生产采用与普通水泥相似的材料,配料中石灰石占55%,硅质材料占45%,窑内温度1200℃,生产1t Solidia水泥熟料二氧化碳排放量约550kg,混凝土的养护需要在二氧化碳中进行,1t水泥可吸收0.24t二氧化碳,比普通水泥混凝土减排70%。

钙硅石和硅灰石在常温下不与水发生化学反应,水化活性非常低,一直是传统水泥化学的研究盲区[5]。根据近年来的研究,发现钙硅石和硅灰石可通过吸收二氧化碳硬化,形成强度。这个化学反应式如下:

CaO·SiO2+CO2→CaCO3+SiO2

3CaO·2SiO2+3CO2→3CaCO3+2SiO2

CaO+CO2→CaCO3

以上反应实际是吸收二氧化碳的碳化反应,但与普通水泥水化物的碳化反应不同,钙硅石和硅灰石的碳化直接生成碳酸钙和硅胶[32]。如图2所示,二氧化碳进入水中生成HCO3-溶液,水泥与水接触之后,Ca2+从水泥颗粒中析出,进入溶液中与HCO3-发生反应,形成CaCO3沉淀区;在Ca2+原来的位置形成富硅区,变成硅胶。随着CaCO3沉淀区和硅胶的增加,水渐渐停止进入水泥颗粒表面,因而水泥颗粒水化形成三层结构,内部是钙硅石和硅灰石颗粒,外面是硅胶,最外面是碳酸钙沉淀区。图3显示了Solidia水泥碳化反应产物的扫描电镜照片[33]

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3   Solidia水泥碳化反应产物

(二)Solidia水泥的强度来源

Solidia水泥的强度来源有两个方面,一是聚合度较高的硅凝胶结构,二是硬化产物方解石。图4为Solidia胶凝材料硬化产物的29Si NMR结果,其中随着碳酸钙的增加,硬化产物从Q0Q1逐步减少,Q2增多并出现Q3Q4,表示硅氧四面体的聚合度逐渐提高,从而形成立体的、稳定的硅胶结构。在钙硅石的硬化产物中,超过90%是方解石(calcite),剩下的是文石(aragonite);在硅灰石的硬化产物中,超过75%是方解石;相比之下,阿利特碳化之后的碳酸钙约有70%的方解石;从宏观角度来讲方解石对强度的贡献最高。

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4   Solidia胶凝材料硬化产物的29Si NMR结果

(三)Solidia水泥混凝土的性能

3列出了水胶比0.3、水泥用量400kg/m3的预制混凝土的性能,其中抗压强度可达70MPa,劈裂抗拉强度8MPa,弹性模量35GPa,基本力学性能与普通水泥混凝土相当。值得注意的是,Solidia水泥混凝土的硬化时间与混凝土厚度有关,当混凝土厚度达到240mm时,硬化时间大约是24h;当混凝土厚度120mm时,硬化时间仅需6h左右。

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(四)讨论

由于Solidia水泥通过硬化吸收空气中的二氧化碳,能够大幅度降低水泥的碳排放量,所以受到很多研究人员的关注,目前对该材料的研究仍在进行中。从现有的资料来看,Solidia水泥混凝土的强度是否与碳化能否充分进行有关,目前尚无令人信服的数据。由于该水泥的耐性低,可用于玻璃纤维和其他不耐碱的纤维增强;颜色浅白,容易着色,适合装饰混凝土的应用,据称没有泛碱的问题。但是,该水泥也面临很多挑战。该水泥必须在高浓度的二氧化碳环境中才能形成强度,因而受到养护方式的限制,目前尚未发现在现浇混凝土中进行应用;因该水泥在碳化时需要空气进入水泥内部,显然不适用于大体积混凝土的应用;并且其碱性低,在普通钢筋混凝土中面临钢筋锈蚀保护不足的问题;另外,该水泥在高致密度、高强度混凝土中的应用也受到一定程度的限制。

Solidia水泥的发展过程因其大幅降低碳排放的天然绿色环保属性而受到广泛关注。拉法基豪瑞预制混凝土副总裁Peter Quail认为,Solidia水泥科技是一个“game changer(游戏改变者)”;普渡大学的Jason Weiss教授认为Solidia可以成为“所有混凝土的替代品”。虽然该水泥对水泥、混凝土行业发展的影响目前还不明朗,但是它的创新性、环保性无疑对水泥、混凝土的从业人员和研究人员具有很大的启发作用。

结语

本文从水泥、混凝土行业发展的背景和趋势出发,列举了水泥在特种混凝土中发展的技术路线,从早期的高钙化到现阶段的低碳化,讨论了矿物掺合料的添加、复合水泥和低碳水泥的研发状况,介绍了有关水泥在混凝土生命周期过程中吸收二氧化碳的研究以及新型“气硬性”硅酸钙水泥Solidia的性能、特点和应用。对于低碳环保要求下的水泥混凝土的创新,作者认为应当在注重解决具体工程问题技术创新的同时,加大立足于新材料研究的前端创新,才有可能在水泥和混凝土的研究方面出现根本性和颠覆性的创新。

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