Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO2-voetafdruk ... · HC - i.techALI technologie HC –...

23
Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO 2 -voetafdruk: de Calciumsulfoaluminaat cementen Joris Schoon, Applied Technology Laboratories Manager, HeidelbergCement Benelux Marcel Bruin, Manager Applied Technology Lab Maastricht & Project Manager, HeidelbergCement Benelux

Transcript of Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO2-voetafdruk ... · HC - i.techALI technologie HC –...

Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO2-voetafdruk:de Calciumsulfoaluminaat cementen

Joris Schoon, Applied Technology Laboratories Manager, HeidelbergCement Benelux

Marcel Bruin, Manager Applied Technology Lab Maastricht & Project Manager, HeidelbergCement Benelux

Agenda

n Introductie tot de CSA familie

n Ali Pre Green & Ali Cem Green (i.tech ALI Family)

n Heidelberg Cement BCT / Ternocem®

n Conclusies

Introductie tot de CSA familie

V

CalciumSulfoAluminaat (CSA) cementen

CSA cementen zijn reeds meerdere decennia gekend.

Productie wereldwijd 2 miljoen ton/jaar, voornamelijk in China.

Pas recent worden ze beschouwd als een veelbelovend alternatief voor een lagere CO2-voetafdruk en een verhoogd gebruik aan secundaire grondstoffen.

Ye'elimiet, de natuurlijke vorm van calcium sulfoaluminaat, zijn tesamen met Belieten Calciumsulfaat de belangrijkste componenten van dit type van cementen.

Calciumsulfoaluminaat cementen zijn gekend voor hun typische eigenschappen:− Cement met zeer hoge vroege sterkteontwikkeling− Expansieve reactie bij uitharding− Beperkte duurzaamheid

Introductie: Een overzichtCementen reeds voor handen op de markt:i.tech ALI PRE GREEN

Chinese clinker

Caltra (Calumex)

Buzzi (Next clinker)

CTS (Rapid Set)

Vicat (Alpenat S)

Nog niet op de markt:Lafarge (Aether)

Vicat (Alpenat, B?)

Heidelberg Cement (BCT)

High C4A3$

C4A3$

other C2S

Low C4A3$

Introductie: CSA Familie

CSA Family

Sulfoaluminaat belietSulfoaluminaat

C4A3$ of ye’elimiet 10-75%

Calcium Silicates (C2S) 10-60%

C4AF (Ferrite) 0-40%

CA, C12A7 0-20%

C (Vrije kalk) 0-25%

C$ 0-25%

C=CaO

A=Al2O3

S=SiO2

F=Fe2O3

$=SO3

C4A3$ >C2S, C4A3$>55% C4A3$ < C2S, C4A3$<45%

HC – BCT technologieHC - i.tech ALI technologie

Gebruikte grondstoffen

Kalksteen, klei, bauxiet, gips, anhydriet, etc.

Ali Pre Green & Ali Cem Green(i.tech ALI familie)

V

i.tech ALI familie: Waarom duurzaam?

30% minder gecertificeerde CO2 emissies30% minder gecertificeerde CO2 emissies

Aardopwarmingsvermogen

Gebruik aan gerecycleerde materialen

Gehalte aan gerecycleerde materialen (ISO 14021)

721 kg CO2 eq/ton

599 kg/ton

54%

Aardopwarmingsvermogen

Gebruik aan gerecycleerde materialen

Gehalte aan gerecycleerde materialen (ISO 14021)

599 kg CO2 eq/ton

475 kg/ton

43%

i.tech ALIPRE GREEN BINDMIDDEL

Belangrijkste fases (%)

Ye’elimiet Beliet Calciumsulfaat

≥ 58 ≤ 25 ≤ 5

Belangrijkste chemische componenten (%)

CaO SiO2 Al2O3 Fe2O3 SO3 MgO

36 ≤ X ≤ 41 ≤ 9,2 27 ≤ X ≤ 33 ≤ 1,6 10 ≤ X ≤14 ≤ 5

Specifiek oppervlakte / Blaine fijnheid = 4750 ± 250 cm²/g

i.tech ALICEM GREEN CEMENT

Mix van Calciumsulfoaluminaat klinker (i.tech ALIPRE GREEN) en fijne calciumsulfaat in stoichiometrische verhoudingen gedoseerd.

De sterkteontwikkeling werd uitgevoerd volgens EN 196-1.

De begin binding werd bepaald via de EN 196-3 methode maar met een aangepaste W/C factor van 0,33 ± 0,02.

Specifiek oppervlakte / Blaine fijnheid

5000 ± 500 cm²/g

Vormhoudendheid (mm)

< 10

Begin van de binding (min)

≤ 25

Sulfoaluminaat

Speciale mortels,

dekvloeren… Industriele bestrating

Snel uithardend

beton

Schuim betonMijnbouw

Slib behandeling

Zuur bestendige

coatings

Toepassingen en marktsegmenten

AANNEMERS

AFVAL VERWERKEND BEDRIJVEN

AANNEMERS

GESPECIALISEERDEBEDRIJVEN

DROGE MORTELS PRODUCENTEN

• Lage krimp• Vroege druksterktes

• Lage krimp• Vroege druksterktes

• Lage krimp• Vroege druksterktes• Zeer snelle binding

• Chemische stabiliteit

• Lage pH• Hoge water

consumptie

• Expansieve eigenschappen• Vroege druksterktes

• Snelle binding• Lage krimp

Heidelberg BCT / Ternocem®

V

Beliet Calciumsulfoaluminaat Ternesiet Cement Technologie

BCT combineert CSA cement technologie met klassieke OPC technologie

Calcium Sulfo-Aluminaat (CSA):

n Snelle vorming van Ettringiet die leidt tot hoge vroege sterkte, expansie

n Niet bruikbaar/toegestaan in constructieve toepassingen (duurzaamheid/thermische stabiliteit van Ettringiet)

Beliet (C2S):

n Langzaam reagerende fase in OPC, verantwoordelijk voor lange duur sterkte (weken, maanden)

n Modificaties met verschillende reactiekinetieken:x-C2S > ɑ-C2S > ɑ’-C2S > β-C2S > γ-C2S

n Stabilisatie van ɑ’-C2S door Boor, Fosfor en zeer snelle koeling nodig omvoldoende reactief Beliet te creëren in de huidige concepten

Ternesiet – een „nieuwe“ klinker fase

Ternesiet (C5S2$)Ca5(SiO4)2SO4 - 2∙(x)C2S·CaSO4

n Voorkomen: In calcium-rijke xenolieten in Leucite tephrite lava[1], in zwavelrijke coatings (voor-warmer, koeler, oven), zwavelrijke klinkers (b.v. C$AB)

n Fase stabiliteit gebied: 1000 –1180°C [aanwezigheid van PO4 ~1300°C]

n Lage reactiviteit van Ternesiet met water is reeds decennia bekend en ook in eigen onderzoek vastgesteld

[1] Irran E et al. (1997) [orthorhombic – dipyramidal, space group: Pnma], webmineral.com (27.10.2011)

Toepassing van reactief Ternesiet is de basis voor 6 patenten.

In aanwezigheid van Aluminium in de porie oplossing, reageren de sulfaten tot Ettringiet leidend tot een zeer reactief x-C2S

Calcium Sulfoaluminaat (Beliet) cement: Ternocem®

Beliet Calciumsulfoaluminaat Ternesiet TechnologieVergelijking BCT / OPC

OPC [%] BCT [%]C3S (Alite) 55 – 75C2S (Belite) 10 – 20 20 – 70C3A (Aluminate) 5 – 10C4AF (Ferrite) 5 – 10 0 – 15C4A3$ (Ye‘elimite) 20 – 60C5S2$ (Ternesite) 5 – 15

Vergelijking klinkersamenstelling – OPC vs. BCT

Beginsterkte van BCT komt van de reactie van C4A3$ (in OPC door C3S, C3A)

Eindsterkte van BCT komt van de reactie van C2S, C5S2$ en C4AF

BCT – hydratatie en prestatie

n Vergelijking sterkte ontwikkeling van OPC vs. BCT cementen (mortels)

n Sterkte ontwikkeling vergelijkbaar met OPC – afhankelijk van aluminaat / silicaat verhouding

Ternocem® PrestatieMilieu impact analyse van 1 ton BCT cement /

Impacts

ScenarioTypical

OPC RemarksHigh quality bauxite & gypsum

WasteAl and SO3 sources

Global warming[kg CO2 eq/tcement] 556 532 794 around 30% reduction

Ozone depletion[kg R -11eq/t cement] 8.2∙10-6 8.2∙10-6 12.4∙10-6

Acidification[kg SO2 eq/tcement] 1.38 0.61 0.93 strong impact of

transportPhotochemical oxidant formation[kg C2H4 eq/tcement]

8.2∙10-2 3.7∙10-2 10.2∙10-2

Total energy consumption[MJ/t cement] 3841 3741 4377 up to 15% reduction

Eutrophication[kg PO4 eq/tcement] 14.3∙10-2 7.0∙10-2 14.0∙10-2

Abiotic depletion (fossil)[MJ/t cement] 2140 1860 2270 around 10% savings

Abiotic depletion (elements)[kg Sb eq/t cement] 13702∙10-6 2.0∙10-6 1980∙10-6 depends strongly on

Al and SO3 source

Ternocem® PrestatiesProductie kosten en investeringen

n Beschikbaarheid en kosten van Aluminium en Sulfaat bronnen zijn kritisch voor de economische haalbaarheid

n Besparing potentie in productie:

– 30% CO2 emissie reductie (i.e. zeer gevoelig voor CO2 kosten)

– 150 – 200°C lagere brand temperatuur, geschat 10% besparing op brandstof verbruik

– Geschat15% besparing op elektrische energy, verbeterde maalbaarheid

n Zelfde productie technologie als voor OPC, dus beperkte investering behoefte

(in basis aanpassing van de fabriekslogistiek)

De grondstoffenkosten kunnen stijgen, maar worden gecompenseerd door lagere CO2-kosten en besparingen in de productie.

Toekomst

n De BCT technologie is in ontwikkeling en om te komen tot commercialisatie dienen nog vele hordes te worden genomen. − Opschalen naar industriële productie:− Optimaliseren van productie technologie − Beheersen van Betontechnologie –

verwerkbaarheid in verschillende toepassingen

− Optimalisatie van duurzaamheid en lange duurprestaties van BCT beton

− Technische goedkeuring / standaardisatie is een vereiste om het concept te kunnen commercialiseren

− Markt introductie, acceptatie door gebruikers

n Introductie van een nieuwe cement / betontechnologie vereist uithoudingsvermogen en geduld – en duurt minstens 5 tot 7 jaar.

Samenvatting

n Ali Pre Green & Ali Cem Green zijn reeds jaren voorhanden met gekend succes in verschillende marktsegmenten.

n Zowel de i.tech ALI familie als Ternocem® kunnen een reductie tot 30% aan CO2 emissies opleveren t.o.v. een OPC.

n Ternocem® combineert begin sterkte ontwikkeling van CSA cement met de lange duur prestaties van Beliet.

n De ontdekking van Ternesiet als een reactieve klinker fase verhelpt de problemen van de te lage Beliet reactiviteit.

n Ternocem® heeft nog een lange weg te gaan tot een mogelijke commerciële introductie.

Zelfs een bedrijf met een 140 jarige traditie kan innovatief zijn