Az alacsony klinkertartalmú cementek kihívásai

Az elmúlt években a cementipar új kihívásokkal nézett szembe, amelyek mindenekelőtt a szén-dioxid-kibocsátás csökkentésének igényével kapcsolatosak a karbon-semlegesség elérése érdekében. A cementgyártás a CO₂-kibocsátás egyik fő forrása: becslések szerint a globális kibocsátás 8%-át teszi ki. A kibocsátás a klinker előállításához használt kalcium karbonát tartalmú kőzetekből felszabaduló szén-dioxidból és a magas égetési hőmérséklet eléréséhez szükséges nagy mennyiségű tüzelőanyag felhasználásából származik. Összességében becslések szerint minden egyes tonna klinker gyártásánál, körülbelül 0,85 tonna CO₂ keletkezik és kerül a légkörbe.

A szén-dioxid-semlegesség 2050-ig történő elérése érdekében a cementipar különböző intézkedéseket hajt végre.  Ezek közé tartozik például az alternatív tüzelőanyagok használatának növelése, a klinker-cement arány csökkentése, földgáz és hidrogén használata, alternatív nyersanyagok használata, szén-dioxid-leválasztás, -felhasználás és -tárolás, megújuló energia és hatékonyság, helyi ellátás és környezetbarát szállítás.

Ezen intézkedések közül az egyik leghatékonyabb és leggyorsabban megvalósítható a cementek klinker tartalmának csökkentése. Jelenleg Európában az átlagos klinker/cement arány körülbelül 0,75: ahhoz, hogy a karbonsemlegesség eléréséhez jelentősen hozzá lehessen járulni, a becslések szerint ennek az értéknek 0,65-re kell csökkennie.

A jelenlegi szabványokból adódó lehetőségek

Bizonyos mértékig a klinker/cement arány csökkentése az EN 197-1 európai szabvány szerint osztályozott cementtípusokkal elérhető. A cementek fizikai-kémiai tulajdonságainak optimalizálásának és mindenekelőtt a speciális adalékanyagok felhasználásának köszönhetően, gyakran jelentős, 3-4%-os klinker csökkentésre van lehetőség, azonos cement tulajdonságok fenntartása mellett.

Ha azonban a betongyártáshoz leggyakrabban használt cementeket (CEM I és CEM II/A-L) vesszük figyelembe, a klinker/cement arány csökkentésére nincs további lehetőség.

Az EN 197-1 lehetővé teszi a kompozit cementek nagyobb mértékű felhasználását is a betongyártásban: ez megengedi a klinker/cement arány erőteljesebb csökkentését. Például a természetes puccolánokat (P) tartalmazó puccoláncementek olyan alternatívát jelentenek, amely kiaknázható a világ különböző részein a vulkáni eredetű homokok puccolán aktivitásának kihasználásával.

2021-ben egy újabb lépés történt ebben az irányban, amikor kiadták az EN 197-5 szabványt, amelyben a nagyon alacsony klinker tartalmú kompozit és kompozit-portland cementeket határozták meg. E cementek használata megkönnyítené a karbon-semlegességre vonatkozó célkitűzések elérését. Például a mészkő-kalcinált agyag (LCC3) cementek megfelelnek ennek a szabványnak.

Végül a 2023-ban megjelent EN 197-6 európai szabvány, bevezeti az újrahasznosított beton finomrész, cement kiegészítő anyagként történő felhasználásának lehetőségét, amely bizonyos határokon belül úgy viselkedik, mint a mészkő. Ennek az új összetevőnek a használata lehetővé teszi a természetes nyersanyagok felhasználásának és a hulladéklerakókba kerülő hulladékok mennyiségének csökkentését. Ez így a betonra vonatkozó szélesebb körű körforgásos gazdasági program része.

Az alacsony klinkertartalmú cementekkel kapcsolatos kérdések

Az alacsonyabb klinker/cement arányhoz kapcsolódó környezeti és gazdasági előnyök mellett a cement kiegészítő anyagokat tartalmazó cementekkel előállított betonok tulajdonságai is javulhatnak. Például a puccolános anyagokat tartalmazó cementek, mint például a természetes puccolán vagy kalcinált agyag, nagyobb ellenállóképességet eredményezhetnek a külső behatásokkal szemben és következésképpen nagyobb tartósságot.

Sajnos az ilyen típusú cementek használata azonban gyakran kritikus problémákat vet fel, amelyek mindenekelőtt a nagy fajlagos felülettel és a cementkiegészítő anyagok nagy adszorpciós képességével kapcsolatosak. Ezek a tulajdonságok nagyobb vízigényhez, a friss beton bedolgozhatóságának, konzisztencia eltarthatóságának csökkenéséhez és a betongyártás során használt folyósító adalékszerek hatékonyságának romlásához vezethetnek.

Az új MA.P.E./C-C cement őrléssegítő adalékanyagok

Az alacsony klinker tartalmú cementekkel kapcsolatos problémák enyhítésére a Mapei kifejlesztette a MA.P.E./C-C termékcsaládot mint a cement őrléssegítő adalékanyagok új családját (Cementtől a Betonig). Ezeknek az adalékanyagoknak az a sajátosságuk, hogy a cement őrölhetőségének és mechanikai tulajdonságainak javítása mellett a bedolgozhatóság javulásához vezetnek a cement habarcsban, valamint betonban történő alkalmazásánál. Ebben a cikkben néhány jelentős példát mutatunk be hatékonyságuk bizonyítására.

A puccolán cement minőségfejlesztése

Az első példa az EN 197-1 szabvány szerinti CEM IV/A (P) puccoláncementtel foglalkozik. A cementgyárban rendelkezésre álló puccolán nagy aktivitású, de az a hibája, hogy sok vizet vesz fel, a nagy fajlagos felülete miatt. Ez a tulajdonsága magas vízigényt és rossz bedolgozhatóságot, konzisztencia eltarthatóságot okoz a betonban történő alkalmazásoknál, ami rendkívül megnehezíti a felhasználását. A cementet az ipari receptúra szerint (69% klinker, 4% gipsz, 27% puccolán) laboratóriumi malomban történt őrléssel állították elő a Mapei kutatás-fejlesztési laboratóriumában, MA.P.E./C-C adagolással és anélkül. A laboratóriumi cementek őrlési finomságát az EN 196-6 szabvány szerinti légsugár szita módszerrel határozták meg. Az eredményeket az 1. ábra mutatja.

1. ábra MA.P.E./C-C. adalékkal és anélkül előállított CEM IV/A (P) cement légsugár szitán vizsgált szemcseméret-eloszlása

A MA.P.E./C-C cement őrléssegítő adalékanyagok lehetővé tették, hogy a cementbe történt adagolásukkal jelentősen javítsák az őrlési finomságot azonos őrlési idő alatt. MA.P.E./C-C képes csökkenteni a cement előállításához szükséges energiát vagy növelheti a termelési mennyiséget azonos energiafelhasználás mellett. A cement fő problémája, a nehéz alkalmazhatósága, ami főként a magas vízfelvételéből adódik. A cementek habarcskonzisztenciáját az EN 1015-3 szabvány szerinti szabványos habarcson vizsgálták (2. ábra).

2. ábra Cement habarcs konzisztenciájának meghatározása terülésméréssel

Ezzel a módszerrel egy folyóssági érték kerül meghatározásra úgy, hogy a friss cementhabarcsot egy szabványos csonkakúp alakú formába dolgozzák be egy speciális korong alakú asztalon, amelynek a lapja egy hatóművön keresztül adott magasságba adott ismétléssel felemelhető majd leejthető, miáltal a habarcs az asztallapon elterül. A vizsgálatot meghatározott időközönként elvégzik a habarcs keverésétől számítva, a habarcs időbeni konzisztencia vesztésének értékeléséhez.

3. ábra CEM IV/A (P) cement szabványos habarcsának folyási értékei

Amint az a 3. ábrán látható, a MA.P.E./C-C lehetővé tette a kezdeti bedolgozhatóság jelentős növekedését. Ezen túlmenően a bedolgozhatóságot olyan értéken tartotta fenn, amely 60 perc elteltével még mindig magasabb, mint az adalék nélküli minta kezdeti értéke. Köztudott, hogy a beton teljesítménye néha eltér a habarcsának teljesítményétől. Ezért a cement betonban való alkalmazásakor fellépő hatás szimulálása érdekében ugyanazokat a vizsgálatokat végezték el cement ekvivalens habarcsokon. (C.E.M.) Ezek olyan habarcsok, amelyek összetételét a beton összetételéből származtatják és reológiai tulajdonságaik nagyon hasonlóak a betonéhoz. A beton adalékanyagok használata nélküli C.E.M. készítéséhez úgy döntöttek, hogy nagy mennyiségű vízzel dolgoznak (w/c=0,61), hogy szimulálják a képlékeny betonokat. Az eredmények, amelyeket a 4. ábra mutat, megerősítik a szabványos habarcson tapasztalt folyási érték növekedést és ennek megtartását.

4. ábra CEM IV/A (P) cement beton ekvivalens habarcsának folyási értékei

Ezek egyértelmű jelei annak, hogy a MA.P.E./C-C növelheti a bedolgozhatóságot mind habarcsnál, mind pedig beton esetében. Az 5. és 6. ábrák a MA.P.E./C-C szilárdságfejlődésre gyakorolt hatását mutatják az korábban tárgyalt habarcsra vonatkozóan. A MA.P.E./C-C hozzáadása lehetővé tette a teljesítmény fokozását minden habarcsnál és bármely szilárdulási korban. Ez a tulajdonság észszerűen lehetővé teszi a puccolán cement gyártási folyamatának javítását a klinker/cement arány utólagos csökkentésével vagy a finomság csökkentésével.

5. ábra CEM IV/A (P) cement szabványos habarcsának szilárdság értékei

6. ábra: CEM IV/A (P) cement beton ekvivalens habarcsának szilárdság értékei

Egy speciális cement minőségfejlesztése

A második példa egy olyan speciális cementre vonatkozik, amelyet úgy állítanak elő, hogy a klinker közel 50%-át másodlagos nyersanyaggal helyettesítik, és így jelentősen csökkentik a CO2 fajlagos kibocsátását. Az ehhez a cementhez használt másodlagos nyersanyag kalcinált agyag és újrahasznosított inert ásványok keveréke, amelyet nagy porozitás jellemez, ennek megfelelő magas vízigénnyel. Következésképpen a cement a frissbetonban a konzisztencia észrevehető csökkenését és viszkozitásának növekedését eredményezi, ami megnehezíti a beton bedolgozhatóságát. Ilyen típusú, ipari gyártású cement esetében vizsgálták a MA.P.E./C-C adalékanyagok használatát, úgy, hogy azokat megnövelt víz/cement arányú (w/c=0,6) standard habarcsok keverővizéhez adták.

7. ábra: MA.P.E./C-C. adalékkal és anélkül előállított speciális cement szabványos habarcsának folyási értékei

Amint az a 7. ábrán látható, a MA.P.E./C-C adalékok lehetővé tették, az ipari cement habarcs kezdeti bedolgozhatóságának nagymértékű növelését és a folyási érték fenntartását, amely 60 perc elteltével még mindig közel azonos szinten van, mint a az adalékot nem tartalmazó minta kezdeti folyási értéke. A habarcsok viszkozitását az úgynevezett "golyós mérőrendszerrel" felszerelt rheométerrel (8. ábra) vizsgálták 1s¹ nyírási sebesség mellett. A viszkozitás alakulását a habarcsok keverésétől számított 60 percen keresztül követtük nyomon.

8. ábra: Golyós mérőrendszerrel felszerelt rheométer

A 9. ábrán látható eredmények megerősítették a habarcs megnövekedett folyékonyságát a MA.P.E./C-C cement őrléssegítő adalékokkal. Ezen túlmenően a MA.P.E./C-C a friss habarcs viszkozitását hosszabb ideig fenntartja: a keveréstől számított 60 percnél a viszkozitás alacsonyabb, mint az adalékot nem tartalmazó habarcs kezdeti viszkozitása.

9. ábra: MA.P.E./C-C. adalékkal és anélkül előállított speciális cement szabványos habarcsának folyási értékei

MA.P.E./C-C: a fenntartható műszaki megoldás

A fenti példák azt mutatják, hogy a MA.P.E./C-C, a Mapei által kifejlesztett új cementadalék-család a legnehezebb esetekben is segíthet a cementgyártóknak és a felhasználóknak, számos előny kombinációjának köszönhetően: nagyobb őrlési hatékonyság, jobb bedolgozhatóság a habarcsban és a betonban, nagyobb mechanikai szilárdság. Ezenfelül megmutatják ezen új adalékanyagok sokoldalúságát: alkalmazhatók a klinker olyan anyagokkal történő nagymértékű helyettesítése esetén, amelyek normál körülmények között rontanák a cementek minőségét, és így nagyon megnehezítenék a felhasználást. A MA.P.E./C-C adalékanyagok lehetővé teszik e problémák megoldását, és választ jelentenek arra a kihívásra, amellyel a cementiparnak az elkövetkező évtizedekben szembe kell néznie. Valójában ezek a cement adalékok lehetővé teszik, hogy alacsonyabb klinkertartalmú, alacsonyabb előállítási költségű, alacsonyabb CO₂-kibocsátású és magasabb minőségű cementeket állítsanak elő, amelyek hatása mind a habarcsok, mind a betonok alkalmazásánál érezhető lesz.

A cikk a Realtá Mapei International magazin 100. számában jelent meg.