Цементы на основе портландцементного клинкера будут по-прежнему доминировать в обозримом будущем. Такие цементы обладают следующими преимуществами:
- Экономия за счет масштаба производства и оптимизированная обработка, влияющая как на стоимость, так и на потребность в энергии
- Широкая доступность сырья
- Простота использования, обеспечиваемая временем удобоукладываемости перед схватыванием
- Уверенность в долговечности, основанная на широком диапазоне и длительное использование.
В свете этого очень эффективной стратегией сокращения выбросов CO2 является замена части портландцементного клинкера другими материалами. Они известны по-разному как минеральные добавки или дополнительные вяжущие материалы (SCM), а также включают почти инертные материалы, которые также можно назвать наполнителями. Здесь мы будем использовать термин SCM для материалов, реагирующих в некоторой степени.
Базовые минеральные добавки к цементу
Известняк обычно рассматривается как наполнитель, хотя в настоящее время известно, что он может реагировать с имеющимся глиноземом. По этой причине возрастает интерес к сочетанным заменам известняка на СКМ с высоким содержанием глинозема, как будет рассмотрено далее. Только три материала: известняк, гранулированный доменный шлак (ГШШ) и летучая зола (ЗУ) в настоящее время составляют подавляющее большинство минеральных добавок.
Дорожная карта IEA/WBCSD определила ограниченный потенциал дальнейшего сокращения выбросов CO2 заменителями клинкера из-за ограниченных запасов шлака и летучей золы. Однако появление новых источников СКМ радикально изменило бы эту ситуацию. Показана предполагаемая доступность возможных SCM и наполнителей по сравнению с количеством произведенного цемента.
Доменные шлаки
Гранулированный доменный шлак может быть заменен до высоких уровней (обычно 70%), но количество доменного шлака, доступного во всем мире, составляет всего около 330 млн тонн в год. Эта доступность снизилась с 17% производства цемента в 1980 году до всего 8% в 2014 году. Несмотря на то, что рост производства стали прогнозируется примерно на том же уровне. Фактическое возможное использование будет зависеть от логистики, точного химического и минералогического состава, загрязнения, местного наличия другого сырья и т. д.
Ожидается, что темпы экоэффективности цементов, связанные с производством цемента, производством доменного чугуна и шлака, сократятся. Это связано с увеличением доступности стального лома для переработки и внедрением более эффективных технологий производства стали. Ожидается, что в долгосрочной перспективе наличие доменного шлака будет составлять менее 8% производства цемента.
Более того, производство чугуна сосредоточено преимущественно в промышленно развитых странах, в то время как спрос на цемент, наоборот, будет расти больше всего — в развивающихся странах. Чтобы быть эффективными в качестве SCM, доменные шлаки должны быть быстро закалены из жидкого состояния, обычно с избытком воды в грануляторе. Таким образом, фактически используемым СКМ является отдельный промышленный продукт «гранулированный доменный шлак» (ГДШ).
Грануляторы устанавливаются и эксплуатируются на заводах по производству чугуна, предназначенных для производства GBFS в качестве побочного продукта, продаваемого с прибылью как SCM. Поскольку это связано с капитальными вложениями, GBFS не следует считать отходами — на открытом рынке он часто продается значительно дороже, чем производство портландцемента обходится производителю цемента. До того, как GBFS стал ценным для использования в качестве цемента, доменные шлаки обычно охлаждали на воздухе с минимальными инвестициями, а затем часто дробили и продавали в виде твердых плотных заполнителей с гораздо меньшей стоимостью, чем GBFS.
В настоящее время более 90 % доменного шлака уже используется в качестве СКМ либо в составе цемента на цементных заводах, либо в качестве добавки к бетону или другим смесям на основе цемента [12, 27]. По этим причинам существует небольшой потенциал для дальнейшего сокращения выбросов CO2 за счет использования доменного шлака.
Летучая зола
Летучая зола образуется в результате сжигания угля на электростанциях и поэтому может считаться отходом. Доступных объемов больше, чем шлака, около 900 млн т/год, но качество очень изменчиво, так что только около одной трети этого количества в настоящее время используется в цементе и бетоне. Вероятно, есть некоторая возможность увеличить эту долю за счет лучшей характеристики и классификации.
