Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO2-voetafdruk ... · HC - i.techALI technologie HC –...
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
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.
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
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$AB)
n Fase stabiliteit gebied: 1000 –1180°C [aanwezigheid van PO4 ~1300°C]
n Lage reactiviteit van Ternesiet met water is reeds decennia bekend en ook in eigen onderzoek vastgesteld
[1] Irran E et al. (1997) [orthorhombic – dipyramidal, space group: Pnma], webmineral.com (27.10.2011)
Toepassing van reactief Ternesiet is de basis voor 6 patenten.
In aanwezigheid van Aluminium in de porie oplossing, reageren de sulfaten tot Ettringiet leidend tot een zeer reactief x-C2S
Beliet Calciumsulfoaluminaat Ternesiet TechnologieVergelijking BCT / OPC
OPC [%] BCT [%]C3S (Alite) 55 – 75C2S (Belite) 10 – 20 20 – 70C3A (Aluminate) 5 – 10C4AF (Ferrite) 5 – 10 0 – 15C4A3$ (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.