Solidia气硬性水泥混凝土的性能和商品化

Solidia气硬性水泥混凝土的性能和商品化

2014年全世界消耗水泥约42亿吨，混凝土超过200亿吨，是地球上消耗最多的材料。按每吨普通硅酸盐熟料（简称PC熟料）产生的CO2为810kg计算，CO2排放总量约30亿吨。

近些年来，为降低水泥工业产生的CO2，有关公司采取了降低熟料热耗，使用代用燃料，生产复合、混合水泥以降低熟料掺加量的方法。另外，公司还对水泥熟料的化学成分开展研究，开发与PC熟料化学成分较为接近的低CO2排放的新品种水泥。而这些新品种水泥中，最引人注目的是采用CO2气体硬化的Solidia气硬性水泥和混凝土。

1　Solidia水泥熟料性能

Solidia水泥（简称SC水泥）主要由低石灰含量的假灰硅钙石（CaO· SiO2）和硅钙石（3CaO·2SiO2）等硅酸盐矿物组成。其熟料中含有42%～48%的石灰（CaO），每吨熟料生产所排放的CO2为570kg，较PC熟料低约240kg。两种熟料的化学成分均为CaO、SiO2和Al2O3，但矿物成分不一，三元相图所在部位见图1。

图1　普通水泥（PC）和Solidia水泥（SC）相图所在部位

PC熟料和SC熟料生产所需的原料相同，制造工艺装备和操作方式相似，采用现有PC水泥工艺生产装备即能快速有效地生产SC水泥。

表1　PC和SC吨水泥熟料生产所排放的CO2

PC水泥熟料煅烧温度为1 400～1 450℃，每吨熟料耗用的燃料燃烧所产生的CO2为270kg，而SC水泥熟料煅烧温度约1 200℃，吨熟料燃料燃烧产生的CO2为190kg，二者差80kg。SC熟料的主要反应方程式为：

表1为生产PC和SC水泥熟料石灰石分解和燃料燃烧所排放的CO2数量。

2　CO2养护SC水泥混凝土

PC水泥制造的混凝土，需水养护、硬化，属水硬性水泥。而SC水泥制备混凝土时，需在CO2气体内养护，是气硬性水泥。

PC水泥在制成混凝土时，在养护和硬化过程中，水与水泥中的C3S、C2S作用，生成不定形的C-S-H胶体，其水化过程相当慢，一般需28d达到硬度目标值。SC水泥制成混凝土时，在养护和硬化过程中，水与SC水泥中的CS和C3S作用甚少，而在水和CO2同时存在养护时，快速反应，1d就可完成，反应方程式如下：

方程式表明，SC水泥养护和硬化过程中，不耗用水，反应生成物为碳酸钙（CaCO3）和不定形的氧化硅（SiO2）。上式反应物在＞500℃的温度时，热动力相十分稳定，可永久性地消纳CO2。SC水泥在养护和硬化过程中，可消纳300kgCO2/t。也就是说，生产SC水泥制造的混凝土仅消耗约265kgCO2/t，较PC水泥混凝土产生的CO2数量减少约70%。

SC水泥在制备混凝土时，通过CO2养护，能够有效地将细集料、砂和粗集料破碎石子结合在一起，生成硬度高的耐久混凝土。所制成的混凝土大致比例为：50%的粗颗粒集料、33%的细颗粒集料、17%的SC水泥，在较短的养护硬化时间内能够达到ASTMC39耐压强度10 000Psi（69MPa）和ASTMC78抗折强度＞1 100 C39 Psi（69MPa）和ASTMC78抗折强度＞1 100Psi（～7.6MPa）。举例如下：10mm厚的屋顶瓦片，仅需10h养护就能达到强度需求值。铁道所需的250mm厚的混凝土垫，养护仅需24h就达到所需强度。混凝土的快速养护硬化，有利于混凝土行业在生产过程中的装备利用，减少库存及占地，促使生产计划具有更大灵活性。

综上所述，SC熟料、混凝土制品在生产过程中和PC熟料、混凝土相比能耗低约30%，CO2排放量减少约70%，石灰石耗用量低、硬化需水量大幅降低，硬化时间缩短至1d以内，制品的耐久性得以改善。

现有的水泥熟料生产线工艺装备和生产装备完全能生产SC熟料，煅烧温度只需1 200℃即可。而现有的水泥混凝土生产工艺设备，经过改造后可生产SC混凝土制品。试验过程中，生产的SC混凝土制品有道路路面混凝土块、砌筑楼房的砌块、带孔混凝土板、铁路枕木、房梁和透光混凝土块等，现正通过实际使用来探索SC混凝土的耐久、冻融等性能。

3　SC混凝土的市场推广应用

3.1联合开发、合作推向市场

混凝土制品的产量远居世界各种工业首位，SC混凝土制品问世后，得到水泥、CO2和水泥制品等国际知名企业的认可，与Solidia公司合作，加强产品的开发和制造，加速产品推向市场。从2013年起，Solidia公司先后与Lafrage、Linda、CDS等公司签署合作协议，情况如下：

Lafrage集团是世界最大的水泥、混凝土、建筑材料的生产企业，多年来一直在探索磨制水泥掺入的石灰石、矿渣、粉煤灰等材料的性能，以减少水泥中熟料的掺加量，同时开发主要成分为贝利特（C2S）的硫酸钙（C4A3S）水泥以减少CO2的排放。但SC水泥混凝土减少的CO2排放量远较上述水泥数量大。为进一步论证工业生产和使用，公司决定在美国Whitehill水泥厂生产5 000吨SC水泥，在北美和欧洲的混凝土企业来生产SC混凝土制品，主要为砌块、道路路面混凝土块、房樑等，并对产品的耐久性和生产成本等开展研究。

Linda集团领导着世界工业CO2气体的制造、输送装备和工程技术。公司认为SC混凝土是通过CO2气体来硬化，耗用量大，必将大幅提升CO2的产能，相应提升公司的CO2生产、供应和管理能力。目前公司掌握CO2储存及输送的汽车、火车、轮船的专用装备和技术，在使用基础上建立示范线工程。

CDS集团是世界上最大的混凝土制品和干燥装备制造的公司，其产品遍布世界各地，认为SC混凝土技术有助于世界建筑材料市场的工艺装备技术的可持续发展。以最小投资合作改造现有混凝土生产装备，将生产的CO2硬化混凝土制品推向世界各地。

3.2政府和学术部门的联合开发

SC混凝土能大幅降低CO2排放，得到美国有关政府部门和学术部门的重视。美国能源部固定能源技术实验室决定将公司开展的CO2储存研究项目中的110万美元，拨出100万美元用于SC混凝土技术研究，探索水、CO2的硬化时间及气硬混凝土的机械强度。研究表明，气硬混凝土的硬化时间＜24h，在每一个硬化阶段SC混凝土的强度均相当或超过普通水泥混凝土。实验室的下一阶段研究的焦点是在商业混凝土厂样品的CO2减少数量和储备能力。

美国交通运输部联邦公路局研究和发展中心对SC混凝土的机械、化学和环境的耐久性进行检测和确认后在交通运输设施中应用。

美国普渡（Purdue）大学和南佛罗里达（Florida）大学研究SC混凝土的耐久性，普渡重点研究SC混凝土冻融，除冰盐的冰融及硫环境下的影响，南佛罗达大学研究SC混凝土内钢筋腐蚀及各种使用条件下的全部性能等。

美国Rutgers大学在已有SC混凝土的技术基础上，继续优化CO2的固化过程。

4　结语

可持续发展世界商业理事会的水泥可持续性创议提出的2050年世界水泥工业减排目标值，假定水泥工业采用SC混凝土技术，只需3年就能完成。

SC混凝土的CO2减排数值和技术性能及制造方式得到水泥、混凝土、CO2制造与运输和混凝土装备制造的世界知名企业的肯定，也得到美国政府有关部门和大学的认可。通过合作，在制造和学术领域提供专业知识设施和资金，将SC混凝土的研究成果转化为有价值的世界上最大的产业，合作有助于加快市场开拓和社会影响，创造一个可持续发展的水泥、混凝土行业。这项工作现正在继续开展中，有待我们的关注。

陈友德编译自

No.1/2014World Cement

No.9/2015World Cement