Zpracování a aktivace doplňkových cementových materiálů (SCM): náhradní materiály za cement a technologie aktivace jílu
Doplňkové cementové materiály (SCM) jsou široce používané náhradní materiály, které v cementu a betonu nahrazují část vápence nebo tradičního portlandského cementového slínku. Využití doplňkových cementových materiálů (SCM) je jedním z nejúčinnějších prostředků ke snížení emisí CO₂, protože při výrobě slínku vznikají velké množství CO₂: jednak v důsledku chemické reakce při kalcinaci vápence, jednak v důsledku energetické náročnosti procesu vypalování ve vysokoteplotní peci. Nahrazením např. části slínku doplňkovými cementovými materiály se sníží spotřeba slínku, což přímo vede ke snížení emisí CO₂ souvisejících s výrobním procesem. Mnohé doplňkové cementové materiály jsou navíc průmyslovými vedlejšími produkty nebo místně dostupnými nerostnými surovinami, což může snížit spotřebu primárních surovin a podpořit principy oběhového hospodářství.
| Náhradní díly pro Clinker & Portland Cement |
|---|
| Skořápky obsahují velké množství vápna a po rozemletí je lze použít podobně jako nepálený vápenec. |
| Popílek: Vzhledem ke klesajícímu využívání uhelných elektráren se dostupnost popílku neustále snižuje. |
| kalcinované jíly mohou být kalcinovány při 800 °C. Ačkoliv se při kalcinaci uvolňuje CO2 - podobně jako při výpalu vápence - požadované teploty jsou výrazně nižší. |
| Strusky: Odpadní materiály z výroby oceli jsou recyklovány, tyto průmyslové procesy se však stávají efektivnějšími a snižují dostupnost strusky. |
| Popel z potravinového odpadu, jako jsou slupky rýže, lze použít jako náhradu portlandského cementu. |
| Hlušina z důlního odpadu může dokonce zvýšit pevnost cementu v závislosti na jejich složení. Výhodou je úspora zdrojů, protože odpad je znovu použit, např. místo přírodního písku. |
| Demoliční odpad může být zpracován (jemně rozemlet) a aktivován pro použití na úrovni cementu jako SCM, což umožňuje redukovat množství slínku a zároveň efektivně recyklovat nerostné suroviny. |
| Použité sklo lze použít jako SCM, surovinu nahrazující křemen. |
Homogenizace strusek jako doplňkových cementových materiálů (SCM)
Spolehlivá laboratorní charakterizace cementových přísad na bázi strusky (SCM) začíná důslednou přípravou vzorků. Strusky jsou často velmi nehomogenní a mohou obsahovat kovové zbytky, proto je třeba před dalším zpracováním nejprve odstranit magnetické složky. Pro mletí a homogenizaci se obvykle používají čelisťové drtiče pro předběžné mletí, následované kulovými mlýny nebo kladivovým mlýnem SK 300 pro jemné mletí. Při výběru vhodného čelisťového drtiče jsou klíčovými faktory vstupní velikost částic, množství vzorku a požadovaná konečná jemnost.
Dvoustupňový postup předběžného mletí v čelisťovém drtiči – nejprve s širokou mezerou a poté s úzkou mezerou – je často rychlejší než přímé protlačování materiálu úzkou mezerou. V mlýně SK 300 lze efektivně zpracovávat kusy materiálu o velikosti až přibližně 20 mm; drtič dosahuje konečné jemnosti kolem 700 µm a díky své robustní konstrukci a odrazovým deskám z karbidu wolframu je vhodný pro abrazivní materiály.
Kulové mlýny jsou vhodné pro jemné mletí vzorků strusky o velikosti až 15 mm. I v tomto případě závisí volba typu mlýna a provozních parametrů na vstupní velikosti částic, množství vzorku a požadované konečné jemnosti. Pro malé objemy do 20 ml se běžně používá model MM 400. Pro větší dávky může model TM 300 během několika hodin zpracovat přibližně 500 g strusky o velikosti částic 5 mm na konečnou jemnost 25 µm a s většími bubny zvládne dokonce i více než 2 kg vzorku.
Vzorky strusky
120mm, 30 kg
BB 300
15 min | < 3 µm
15 mm, 250 g
PM 100
5 min | < 500 µm
15 mm, 200 g
SK 300
20 min | < 700 µm
5 mm, 500 g
TM 300
4 Hodiny | < 25 µm
Demoliční odpad
Demoliční odpad nabízí významný potenciál jako náhrada SCM a cementu pro průmysl cementu účinněji využívající zdroje. Materiály, jako jsou suť betonu, Cihly, keramika a malta, obsahují příslušné minerální složky; bez zpracování však obvykle nejsou dostatečně reaktivní, aby mohly být použity přímo jako SCM nebo náhrady cementu. Proto musí být nečistoty nejprve odstraněny a minerální frakce musí být selektivně zpracovány. Jemné mletí výrazně zvyšuje specifickou plochu povrchu, což zlepšuje reaktivitu materiálu. Současně může mechanická aktivace narušit strukturu krystalu a tím zvýšit jeho vhodnost jako náhrady SCM a cementu. Pokud to není dostatečné, může být reaktivita dále zvýšena chemickou aktivací.
Je důležité rozlišovat mezi typy materiálů: drcený beton často vykazuje nízkou přirozenou reaktivitu, a proto obvykle vyžaduje silnější aktivaci, aby fungoval jako SCM. Naproti tomu zbytky cihel již mohou obsahovat pucolanicky reaktivní fáze kvůli obsahu vypáleného jílu, a proto jsou často snadněji použitelné jako SCM a náhrady cementu; obecně však stále vyžadují pečlivé třídění a jemné mletí.
Tímto způsobem mohou SCM získané z demoličního odpadu pomoci nahradit slínek, snížit emise CO2 a uzavřít materiálové cykly ve stavebnictví.
Betonová suť 12 mm, 45 kg
TM 500
3 Hodiny | 100 µm
Betonová suť 4 mm, 200 g
PM 100
20 min | 100 µm
Cihlové fragmenty 8 mm, 2 kg
TM 300
1 Hodiny | 40 µm
Materiál má tendenci aglomerovat v RS 200 a ucpává jemné síta v SK 300; proto se doporučují kulové mlýny pracující při mírných otáčkách a přidání několika kapek etanolu.
Recyklované sklo
Recyklované sklo může hrát důležitou roli v cementářském průmyslu jako SCM, což pomáhá snižovat emise CO2 a šetřit přírodní zdroje. Když je recyklované sklo velmi jemně rozemleté, vytváří skleněný prášek, který může rozvíjet pucolánové vlastnosti a tím být použit jako SCM. Klíčové požadavky pro jeho použití jako SCM zahrnují vysoký stupeň jemnosti, vhodné chemické složení a konzistentní kvalitu vstupního materiálu.
Kromě použití jako SCM může být recyklované sklo také použito jako surovina při výrobě slínku, nahrazující křemen; v tomto případě však nahrazuje pouze minerální suroviny a není považováno za náhradu cementu. Další aplikací je jeho použití jako kamenivo v betonu.
Recyklované sklo proto ukazuje, jak mohou druhotné suroviny učinit cementářský průmysl udržitelnějším a účinnějším.K homogenizaci se obvykle používají čelistové drtiče a například diskové vibrační mlýny.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 min | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 min | 100 µm
Objevte další zajímavé kapitoly a využijte našich odborných znalostí Click on the chapters to explore!
Zpracování nevypáleného vápence, mušlí a pucolánů jako náhradních materiálů za cement
Několik minerálních náhradních materiálů za cement lze zpracovávat pomocí standardního mlecího zařízení pro cementárny. Nevypálený vápenec se ideálně zpracovává pomocí čelisťových drtičů a následně v kulových mlýnech. Mušle se také skládají převážně z CaCO₃, ale jsou tenčí než typické vzorky vápence, a proto je lze účinně předemlít pomocí střižných mlýnů a jemně rozemlít v ultraodstředivém mlýnu ZM 300; pro tento účel je vhodný 6diskový rotor pro střižné mlýny a v mlýnu ZM 300 lze použít rotory odolné proti opotřebení s povlakem z karbidu wolframu i distanční síta. Měkčí doplňkové cementové materiály, např. pucolány nebo vulkanické materiály jako pemza, se rovněž zpracovávají pomocí rotorových mlýnů, jako je ZM 300 pro objemy do 5 l nebo SR 300 pro větší množství vzorků. U otvorů síta menších než 1 mm usnadňují cyklóny vyprazdňování vzorků a pomáhají zabránit tvorbě prachu.
mušle & pucolány
50 mm, 100 g
BB 50
1 min | 2 mm
80 mm, 1 kg
Předběžné drcení SM 200
Jemné mletí ZM 300
3 min | 0,3 µm
5 mm, 200 g
SR 300
45 s | < 500 µm
2 mm, 90 g
ZM 300
2,5 min | 0,1 mm
Rostlinné doplňkové cementové materiály (SCM) a náhražky cementu na bázi popela
Rostlinné materiály z popela – zejména ty, které pocházejí z odpadů potravinářského průmyslu, jako jsou rýžové slupky – mohou sloužit jako doplňkové cementové materiály (SCM) a náhražky cementu. Lze je homogenizovat stejným způsobem jako strusky nebo vápenec. Odebrání odolný model SK 300 je zvláště vhodný pro abrazivní vzorky, zatímco pro jemné mletí pod 500 µm se používají kulové mlýny (pro malé až střední množství vzorků) nebo bubnové mlýny (pro větší množství). Samotné rostlinné suroviny (např. rýžové slupky, pelety ze slupek slunečnicových semen nebo zbytky slámy) musí být rovněž analyzovány; pro předběžné zmenšení velikosti se používají střižné mlýny, následované modelem ZM 300 nebo, u větších objemů, modelem SR 300 pro jemné mletí. U vláknitých vzorků je vždy třeba zvážit použití cyklónů, protože ochlazují materiál, zlepšují výstup vzorku a zabraňují tvorbě prachu; pomalé a rovnoměrné podávání nebo použití distančních sít také pomáhá omezit hromadění tepla. Podávací systém DR 100 umožňuje snadnější a konzistentnější vkládání vzorků.
Jemnost částic v peletách závisí na typu použitého mlýna
Pokud je třeba snížit obsah vláken v mletém vzorku, lze síta ve střižných mlýnech nebo v zařízení SR 300 nainstalovat v opačné poloze, případně lze snížit otáčky rotoru v rotorových mlýnech. Pro analýzu XRF je vyžadováno velmi jemné mletí – často pod 50 µm; zda jsou vhodnější kulové mlýny nebo rotorové mlýny, závisí na následné analýze, protože kulové mlýny poskytují jemnější výsledky, ale trvají déle a mohou generovat větší opotřebení kovu [3]. Pokud opotřebení není kritické, obecné pravidlo pro reprodukovatelné výsledky XRF zní: čím jemnější, tím lepší. [2]
Vzorky rostlin
Ořechové skořápky 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 min | 150 mm
Rýžové slupky 8 mm, 200 g
ZM 300
8 min | 0,5 mm
Popel z rýžových slupek 15 mm, 450 g
SK 300
2 min | 1 mm
Peletky ze slupek slunečnicových semen 30 mm, 500 g
ZM 300
15 min | 0,5 mm
Sláma 20 mm, 300 g
SR 300
7 min | < 200 µm
Mechanochemie a cement:
Alternativy k kalcinaci jílu a technologie aktivace jílů
Aktivované jíly patří mezi nejslibnější doplňkové cementové materiály (SCM), protože jsou dostupné po celém světě, lze je získávat z místních zdrojů a umožňují výrazné snížení spotřeby slínku. Reaktivní jíly se tradičně vyrábějí kalcinací jílu, avšak mechanochemická aktivace představuje novou technologii, která může v určitých aplikacích představovat zajímavou alternativu. Mechanochemická aktivace jílu – zejména pomocí kulových mlýnů, jako jsou PM 100 nebo PM 300 – využívá mechanickou energii ke změně krystalové struktury, umožňuje amorfizaci a zvyšuje reaktivitu, čímž se široká škála místních druhů jílu stává použitelnou jako náhradní cementové materiály. Modely PM 100 a PM 300 jsou ideální pro tento proces v laboratorním a pilotním měřítku. Studie ukazují, že mechanicky aktivované jíly jsou jemnější, strukturálně upravené a chemicky reaktivnější než kalcinované jíly, zejména ty s vysokým obsahem slídy. Klíčovým prvkem řízení procesu aktivační technologie je systém GrindControl, který průběžně měří teplotu a tlak uvnitř mlecí nádoby, pomáhá předcházet přehřátí a poskytuje důležité informace o mechanochemických reakcích. Senzory jsou kompatibilní s nádobami různých velikostí. Během aktivace jílu dochází k výraznému nárůstu teploty a tlaku, což signalizuje uvolňování plynu a přeměnu minerálů; toto monitorování je nezbytné pro řízení reaktivity a zajištění stálé kvality produktů SCM. Data mohou také podpořit závěry o složení jílu – například materiály s vyšším obsahem dolomitu generují vyšší tlaky v důsledku uvolňování CO₂ [1].
Reaktivita různých jílů po tepelné a mechanické aktivaci; nárůst tlaku v systému GrindControl odráží obsah dolomitu
Studie [2] zkoumá, jak vstupní energie během mechanochemické aktivace ovlivňuje chemickou reaktivitu jílů, a to se zaměřením na planetární kulové mlýny. Planetární kulový mlýn je preferovaným laboratorním nástrojem, protože umožňuje přesné nastavení klíčových parametrů, jako jsou rychlost otáčení, poměr kuliček k prášku a doba mletí. Analýzou téměř 100 datových bodů vědci zjistili silnou korelaci mezi vstupní energií a výslednou reaktivitou jílu. Chemická reaktivita rychle roste s rostoucím příkonem energie až do hodnoty přibližně 100 kJ/g, zatímco další zvyšování má pouze nepatrné dodatečné účinky. V praxi nabízí planetový kulový mlýn PM 300 – provozovaný při vysokých otáčkách, například 850 ot./min – významné výhody díky maximalizaci příkonu energie a zrychlení aktivačního procesu pro doplňkové cementové materiály (SCM) na bázi jílu.
Při návrhu experimentu na Univerzitě v Bathu byly testovány různé podmínky frézování v planetárních kulových mlýnech, aby bylo možné vyhodnotit nejlepší konfiguraci parametrů pro nejvyšší aktivaci jílu s minimální spotřebou energie. Zdá se, že vyšší poměr koule k prášku 25 je přínosný, spolu s vyšší rychlostí nejméně 600 otáček za minutu. Za pouhých 20 minut bylo dosaženo pozoruhodné reaktivity při nejnižší spotřebě energie pouhých 0,22 kWh (výsledky se svolením Dr. Ildy Tole).
Zajímavostí je, že pro aktivaci jílu lze použít i vibrační kotoučový mlýn RS 200, i když s mírně nižší mírou aktivace. Zde se ukázalo jako výhodné, pokud není úroveň naplnění příliš vysoká – optimální byl vzorek o hmotnosti 40 g. Opět se zdá být přínosem vyšší rychlost 1400 otáček za minutu.
Kontaktujte nás pro bezplatnou konzultaci
Produkty a služby RETSCH jsou dostupné prostřednictvím globální sítě dceřiných společností a plně vyškolených distributorů. Naši zaměstnanci vám rádi pomohou s případnými dotazy.
Zpracování a aktivace doplňkových cementových materiálů (SCM): náhradní materiály za cement a technologie aktivace jílu - FAQ
Co jsou doplňkové cementové přísady (SCM)?
Doplňkové cementové přísady (SCM) jsou materiály nahrazující část vápence a/nebo tradičního portlandského cementového slínku v cementu a betonu.
Proč pomáhají cementové přísady (SCM) snižovat emise CO₂?
Snižují množství potřebného slínku. Výroba slínku je z hlediska emisí CO₂ náročná kvůli kalcinaci vápence a vysoké energetické náročnosti procesu v peci, takže nahrazení slínku cementovými náhražkami přímo snižuje emise související s tímto procesem a může přispět k využívání zdrojů v rámci oběhového hospodářství.
Jaké materiály lze použít jako SCM a co ovlivňuje jejich dostupnost?
Mezi příklady patří strusky, popílek, pucolány/sopečné horniny (např. pemza), nespálený vápenec, mušle (bohaté na CaCO₃), popel z odpadů potravinářského průmyslu, jako jsou rýžové slupky, kalcinované jíly a důlní hlušiny. Dostupnost se může měnit v závislosti na průmyslových trendech – například efektivnější výroba oceli může snížit dostupnost strusky a omezení výroby energie z uhlí může omezit dodávky popílku.
Jak funguje aktivace jílu a v čem se liší od kalcinace jílu?
Reaktivní jíly se tradičně vyrábějí kalcinací jílu při teplotě 800 °C, zatímco mechanochemická aktivace je technologie, která zvyšuje reaktivitu jílu mletím (např. v planetových kulových mlýnech PM 100 nebo PM 300). Mechanická energie mění krystalovou strukturu, podporuje amorfizaci a umožňuje využití širšího spektra místních jílů. Řízení procesu lze podpořit pomocí GrindControl (monitorování teploty/tlaku).
Reference
1] Tole, I., Delogu, F., Qoku, E., Habermehl-Cwirzen, K., & Cwirzen, A. (2022). Enhancement of the pozzolanic activity of natural clays by mechanochemical activation. Construction and Building Materials, 352, 128739.
[2] Alastair T.M. Marsh, Sreejith Krishnan, Suraj Rahmon, Sisan A. Bernal and Xinyuan Ke; Relationsship between milling input energy and chemical reactivity for mechanochemical activation of clays; Royal Society of Chemistry 2025, DOI: 10.1039/d5mr00088b
[3] Permission for picture usage by Rigaku Europe SE