Alternatieve bindmiddelen met een lagere CO 2 -voetafdruk: de Calciumsulfoaluminaat cementen

Transcriptie

1 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

2

3 Agenda Introductie tot de CSA familie Ali Pre Green & Ali Cem Green (i.tech ALI Family) Heidelberg Cement BCT / Ternocem Conclusies

4 V Introductie tot de CSA familie

5 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 CO 2 -voetafdruk en een verhoogd gebruik aan secundaire grondstoffen. Ye'elimiet, de natuurlijke vorm van calcium sulfoaluminaat, zijn tesamen met Beliet en 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

6 Introductie: Een overzicht Cementen 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) other C4A3$ High C4A3$ Low C4A3$ C2S

7 Introductie: CSA Familie CSA Family C=CaO A=Al 2 O 3 S=SiO 2 F=Fe 2 O 3 $=SO 3 C 4 A 3 $ of ye elimiet 10-75% Calcium Silicates (C 2 S) 10-60% C 4 AF (Ferrite) 0-40% CA, C 12 A % C (Vrije kalk) 0-25% C$ 0-25% Gebruikte grondstoffen Kalksteen, klei, bauxiet, gips, anhydriet, etc. Sulfoaluminaat Sulfoaluminaat beliet C 4 A 3 $ >C 2 S, C 4 A 3 $>55% C 4 A 3 $ < C 2 S, C 4 A 3 $<45% HC - i.tech ALI technologie HC BCT technologie

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

9 i.tech ALI familie: Waarom duurzaam? Aardopwarmingsvermogen 721 kg CO 2 eq/ton Gebruik aan gerecycleerde materialen 599 kg/ton Gehalte aan gerecycleerde materialen (ISO 14021) 54% Aardopwarmingsvermogen 599 kg CO 2 eq/ton Gebruik aan gerecycleerde materialen 475 kg/ton Gehalte aan gerecycleerde materialen (ISO 14021) 43% 30% minder gecertificeerde CO 2 emissies

10 i.tech ALIPRE GREEN BINDMIDDEL Belangrijkste fases (%) Ye elimiet Beliet Calciumsulfaat Belangrijkste chemische componenten (%) CaO SiO 2 Al 2 O 3 Fe 2 O 3 SO 3 MgO 36 X 41 9,2 27 X 33 1,6 10 X 14 5 Specifiek oppervlakte / Blaine fijnheid = 4750 ± 250 cm²/g

11 i.tech ALICEM GREEN CEMENT Mix van Calciumsulfoaluminaat klinker (i.tech ALIPRE GREEN) en fijne calciumsulfaat in stoichiometrische verhoudingen gedoseerd. Specifiek oppervlakte / Blaine fijnheid 5000 ± 500 cm²/g Vormhoudendheid (mm) < 10 Begin van de binding (min) 25 De sterkteontwikkeling werd uitgevoerd volgens EN De begin binding werd bepaald via de EN methode maar met een aangepaste W/C factor van 0,33 ± 0,02.

12 Toepassingen en marktsegmenten Chemische stabiliteit Lage krimp Vroege druksterktes Zeer snelle binding Speciale mortels, DROGE MORTELS dekvloeren PRODUCENTEN Zuur bestendige coatings Industriele bestrating Lage krimp Vroege druksterktes AANNEMERS AFVAL VERWERKEND BEDRIJVEN Lage ph Hoge water consumptie AANNEMERS Slib behandeling Sulfo aluminaat Snel uithardend beton Lage krimp Vroege druksterktes GESPECIALISEERDE BEDRIJVEN Mijnbouw Schuim beton Expansieve eigenschappen Vroege druksterktes Snelle binding Lage krimp

13 V Heidelberg BCT / Ternocem

14 Beliet Calciumsulfoaluminaat Ternesiet Cement Technologie BCT combineert CSA cement technologie met klassieke OPC technologie Calcium Sulfo-Aluminaat (CSA): Snelle vorming van Ettringiet die leidt tot hoge vroege sterkte, expansie Niet bruikbaar/toegestaan in constructieve toepassingen (duurzaamheid/thermische stabiliteit van Ettringiet) Beliet (C 2 S): Langzaam reagerende fase in OPC, verantwoordelijk voor lange duur sterkte (weken, maanden) Modificaties met verschillende reactiekinetieken: x-c 2 S > ɑ-c 2 S > ɑ -C 2 S > β-c 2 S > γ-c 2 S Stabilisatie van ɑ -C 2 S door Boor, Fosfor en zeer snelle koeling nodig om voldoende reactief Beliet te creëren in de huidige concepten

15 Ternesiet een nieuwe klinker fase Ternesiet (C 5 S 2 $) Ca 5 (SiO 4 ) 2 SO 4-2 (x)c 2 S CaSO 4 Voorkomen: In calcium-rijke xenolieten in Leucite tephrite lava [1], in zwavelrijke coatings (voor-warmer, koeler, oven), zwavelrijke klinkers (b.v. C$AB) Fase stabiliteit gebied: C [aanwezigheid van PO 4 ~1300 C] 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 ( ) In aanwezigheid van Aluminium in de porie oplossing, reageren de sulfaten tot Ettringiet leidend tot een zeer reactief x-c 2 S Toepassing van reactief Ternesiet is de basis voor 6 patenten.

16 Calcium Sulfoaluminaat (Beliet) cement: Ternocem

17 Beliet Calciumsulfoaluminaat Ternesiet Technologie Vergelijking BCT / OPC Vergelijking klinkersamenstelling OPC vs. BCT OPC [%] BCT [%] C 3 S (Alite) C 2 S (Belite) C 3 A (Aluminate) 5 10 C 4 AF (Ferrite) C 4 A 3 $ (Ye elimite) C 5 S 2 $ (Ternesite) 5 15 Beginsterkte van BCT komt van de reactie van C 4 A 3 $ (in OPC door C 3 S, C 3 A) Eindsterkte van BCT komt van de reactie van C 2 S, C 5 S 2 $ en C 4 AF

18 BCT hydratatie en prestatie Vergelijking sterkte ontwikkeling van OPC vs. BCT cementen (mortels) Sterkte ontwikkeling vergelijkbaar met OPC afhankelijk van aluminaat / silicaat verhouding

19 Ternocem Prestatie Milieu impact analyse van 1 ton BCT cement / Impacts High quality bauxite & gypsum Scenario Waste Al and SO3 sources Typical OPC Remarks Global warming [kg CO 2 eq/tcement] Ozone depletion [kg R -11eq/t cement] Acidification [kg SO 2 eq/tcement] Photochemical oxidant formation [kg C 2H 4 eq/tcement] Total energy consumption [MJ/t cement] Eutrophication [kg PO 4 eq/tcement] Abiotic depletion (fossil) [MJ/t cement] Abiotic depletion (elements) [kg Sb eq/t cement] around 30% reduction strong impact of transport up to 15% reduction around 10% savings depends strongly on Al and SO3 source

20 Ternocem Prestaties Productie kosten en investeringen Beschikbaarheid en kosten van Aluminium en Sulfaat bronnen zijn kritisch voor de economische haalbaarheid Besparing potentie in productie: 30% CO 2 emissie reductie (i.e. zeer gevoelig voor CO 2 kosten) C lagere brand temperatuur, geschat 10% besparing op brandstof verbruik Geschat15% besparing op elektrische energy, verbeterde maalbaarheid 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.

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

22 Samenvatting Ali Pre Green & Ali Cem Green zijn reeds jaren voorhanden met gekend succes in verschillende marktsegmenten. Zowel de i.tech ALI familie als Ternocem kunnen een reductie tot 30% aan CO 2 emissies opleveren t.o.v. een OPC. Ternocem combineert begin sterkte ontwikkeling van CSA cement met de lange duur prestaties van Beliet. De ontdekking van Ternesiet als een reactieve klinker fase verhelpt de problemen van de te lage Beliet reactiviteit. Ternocem heeft nog een lange weg te gaan tot een mogelijke commerciële introductie.

23 Zelfs een bedrijf met een 140 jarige traditie kan innovatief zijn