Lafarge公司Aether®太空水泥熟料项目

1 新一代低碳太空水泥熟料

太空（Aether®）项目的研究产品是一种专利类熟料。不是以C3S为主的普通水泥熟料，而是以C2S为主相+硫铝酸钙（CSA或C4A3$）和铁铝酸钙相组成（此处$指SO4），其原料和熟料成分见表1。

从化学成分来看，普通水泥熟料C3S和C3A相产生大量CO2排放，而太空熟料中此二相被硫铝酸钙（C4A3$）相所取代。在普通水泥熟料中，C3S和C3A相具有早期流变性和机械强度，而太空水泥熟料性能是以C4A$为主，达到C2S和C4AF为主的0～7d之间的结合反应。太空水泥熟料的原料中CaO含量少，意味着CO2排放量低，但含有十分高的SO3和Al2O3与（C4A3$）相，其化学成分可通过常用普通原料得到，如石灰石、白垩、粘土、氧化铁，通常需要氧化铝（铝矾土或其他含Al的原料），和普通水泥熟料相比，原料中的硫酸盐数量增加，生产所需原料按所在地可利用的原料进行配置。

2 工业可行性的确认

2007年，Lafarge研究中心项目开始实施，首先是寻找反应性能与硅酸盐水泥熟料相当的不同熟料成分。在此基础上，评估用现有装备生产出太空熟料的可行性。与此同时，继续研究太空熟料的成分及其煅烧工艺性能。

鉴于项目研究涉及新的水泥相，公司向欧盟有关部门和环保部门提出申请“太空水泥工业实施的可行性”的课题，有关部门批准此项目并决定在2010～2013年期间完成实施。实验室试验在波兰建筑陶瓷研究院进行。在Lafarge集团的水泥生产线上生产熟料并在英国BRE混凝土研究院对太空水泥的混凝土和砂浆进行测试。

建筑陶瓷研究院位于波兰Kra⁃kow，其水泥试验装置首次进行有关试验，确定试验参数和预测在工业装备生产太空水泥的条件。选用不同细度和硫含量的半工业熟料制成的水泥，测试其凝结时间、需水量、安定性、耐压和抗折强度、水化热、和易性、稠度。

2011年2月，太空水泥首次进行工业可行性试验，选用立波尔窑，其生产条件与试验室试验条件十分相似，8d内生产约5000t熟料，证实在现有水泥窑可生产太空水泥。

2012年12月，在法国南部的La⁃farges Le Teil厂对太空水泥工业可行性进行了最终的确认，采用干法工艺窑，8d内生产太空水泥约10000t。

在生产实施过程中，由Lafarge技术研究中心技术专家协助工厂人员操作窑和其他装备，同时分析试验的全过程，人员按时上班确保实时监测生产。

每一个试验小组中均有工厂管理人员。技术专家负责培训窑的操作人员，技术人员按常规采取太空水泥的原料和熟料，并对此进行分析，分析师负责编制和分析熟料质量的报表。

3 工艺必备条件及其关键学习点

太空水泥生产只需普通水泥生产使用的装备而不需增设基础设施。除了XRF荧光分析仪外，还需增设XRD衍射装置，配置测试不同矿物相的软件，确保正常监控产品的质量。

太空熟料的化学成分与普通水泥熟料差别较大，在转换不同熟料生产时，必须清理生产装置内物料，以保证产品质量。

太空熟料生产与普通水泥熟料相似，窑内烧成带的温度范围很窄，控制要求严格，以使熟料煅烧既不欠烧，又不过烧。上述情况均使产品早期强度起作用的yeelimite（C4A3$）的数量减少。

此外，欠烧难于将生料内不同元素结合成熟料，而过烧造成较高的SOx排放，温度过高使yeelimite（C4A3$）分解，易产生熔体和结圈，迫使窑停止操作，过烧熟料难于粉磨。

太空水泥熟料煅烧温度远低于普通水泥熟料，生产中产生的NOx也少。若配料正确，熟料煅烧温度控制得好，太空水泥熟料SOx排放与普通水泥熟料相当。

4 环保性能的确定

通过二次工业试验，证实太空水泥生产不仅可在现有水泥熟料生产线上进行工业生产，而且环境性能较好，比普通水泥CO2排放减少25%～30%。

表1 太空、普通水泥熟料成分差别

由于生料中含有较少数量的石灰石，碳酸钙分解产生的CO2减少了10%～15%。熟料煅烧温度较普通水泥熟料温度低，燃料节省约5%～10%。此外，太空熟料易磨、粉磨数据显示，熟料粉磨节约40%的能耗。

5 太空水泥的反应性能和强度的试验

Lafarge和英国BRE研究人员对太空水泥制成的砂浆和混凝土的耐久性及机械性能进行评估，结果令人振奋，由Aether水泥生产的混凝土在6h早期强度达到20MPa，28d的抗压强度与标准水泥（CEMI52.R）相当。

在某些应用状况下，太空水泥较普通水泥显示较好的尺寸稳定性，在气温20℃、相对湿度50%和1d养护的条件下，太空水泥混凝土较普通水泥混凝土收缩量少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试验，测试抗太空水泥的风险，特别是通过试验对结构混凝土内钢筋的腐蚀和混凝土自身损坏的风险进行评估。现场和实验室正加紧进行，试验项目的第一次结论将于2013年晚些时候推出。

设计的三种混凝土代表各种不同混凝土试验的耐久性试验，即：

C20/25混凝土：水泥240kg/m3，水灰比0.6。在无钢筋混凝土的非结构上使用。

C20/30混凝土：水泥300kg/m3，水灰比0.5。用于在结构内钢筋的部件，无集料混凝土板、墙和柱等预制件。

C35/45混凝土：水泥360kg/m3，水灰比0.45。用于在结构内钢筋的部件，在化学腐蚀环境（如土壤中含有酸，海水氯化物）或在工业内使用。

耐久性计划有碳侵入的测试，包括三种混凝土与普通混凝土的氧化渗透性（耐久性指数）和抗大气碳化，减少混凝土的PH值和增加混凝土内钢筋的风险。此外，两种混凝土用于抗氧侵蚀，将混凝土暴露在海水或除冰的盐水中，进行抗化学腐蚀如硫酸盐或有机酸侵蚀，特别重要的是混凝土用于腐蚀土或工业使用。

7 用于特殊使用的太空水泥的发展

Lafarge公司考虑在更大范围内使用太空水泥，例如，制造预制混凝土部件，太空水泥混凝土在6h内可达到20MPa的早期强度而无需加热，一般水泥混凝土在此条件下强度较低，计划于2014年首次使用太空水泥产品。