Kiegészítő cementkötő anyagok (SCM-ek) feldolgozása és aktiválása: cementpótló anyagok és agyagaktiválási technológia
A kiegészítő cementképző anyagok (SCM-ek) széles körben elterjedt cementpótló anyagok, amelyek a cementben és a betonban a mészkő vagy a hagyományos portlandcement-klinker egy részét helyettesítik. A kiegészítő cementképző anyagok (SCM-ek) használata a CO₂-kibocsátás csökkentésének egyik leghatékonyabb eszköze, mivel a klinker előállítása nagy mennyiségű CO₂-t eredményez: egyrészt a mészkő kalcinálása során végbemenő kémiai reakcióból, másrészt a magas hőmérsékletű kemencei folyamat energiaigényéből. Ha például a klinker egy részét kiegészítő cementkötő anyagokkal helyettesítik, kevesebb klinkerre van szükség, ami közvetlenül csökkenti a folyamattal kapcsolatos CO₂-kibocsátást. Ezenkívül sok kiegészítő cementkötő anyag ipari melléktermék vagy helyben rendelkezésre álló ásványi erőforrás, ami csökkentheti az új erőforrások fogyasztását és támogathatja a körforgásos gazdaság elveit.
| Alternatívák Clinker & Portland Cement |
|---|
| Sea shells nagy mennyiségű mogyorót tartalmaz, és ha egyszer megmossuk, hasonlóan használható, mint a nem égett mogyoró. |
| Fly ash: A szénüzemű erőművek használatának csökkenése miatt a fly ash rendelkezésre állása folyamatosan csökken. |
| A kalcinált agyagok 800 °C-on kalcinálhatók. Bár a kalcinálás során CO2 szabadul fel - hasonlóan a mészkőgyújtáshoz - a szükséges hőmérséklet jelentősen alacsonyabb. |
| Slags: Az acélgyártásból származó hulladékanyagok újrahasznosításra kerülnek. Azonban ezek az ipari folyamatok egyre hatékonyabbá válnak, csökkenti a salak elérhetőségét. |
| Az élelmiszer-hulladékból származó hamu, mint például a rizs héja, helyettesítheti a Portland cementet. |
| A bányászati hulladékból származó hulladékok akár a cement szilárdságát is növelhetik összetételük függvényében. Az előnye az erőforrás-megőrzésben rejlik, mivel a hulladék újrahasznosítható, például a természetes homok helyett. |
| Rombolási hulladék feldolgozható (finom csiszolás) és aktiválható a cement szintjén, mint SCM, amely lehetővé teszi a klinker csökkentését, miközben hatékonyan felújítja az ásványi erőforrásokat. |
| Használt üveg lehet használni, mint SCM, nyersanyag helyettesíti a kvarc. |
A salakok homogenizálása kiegészítő cementkötőanyagként (SCM)
A salak alapú kiegészítő cementképző anyagok (SCM-ek) megbízható laboratóriumi jellemzése az egységes mintakészítéssel kezdődik. A salakok gyakran rendkívül inhomogének és fémmaradványokat tartalmazhatnak, ezért a további feldolgozás előtt először el kell távolítani a mágneses komponenseket. A zúzáshoz és a homogenizáláshoz általában pofás-törőket használnak az előzúzáshoz, majd golyós malmokat vagy a Cross Beater Mill SK 300-at a finom őrléshez. A megfelelő állkapocs-törő kiválasztásakor a legfontosabb tényezők a kiindulási szemcseméret, a minta mennyisége és a kívánt végső finomság.
A pofás-törőgépben alkalmazott kétlépcsős előtörés – amelynek során először széles, majd keskeny résen halad át az anyag – gyakran gyorsabb, mint az anyag közvetlen, szűk résen történő áteresztése. Az SK 300-as modellben hatékonyan feldolgozhatók a legfeljebb körülbelül 20 mm-es darabok; a berendezés körülbelül 700 µm-es végső finomságot ér el, és robusztus kialakításának, valamint volfrámkarbid terelőlemezeinek köszönhetően kiválóan alkalmas koptató hatású anyagok feldolgozására.
A golyósmalmok legfeljebb 15 mm-es salakmintadarabok finom őrlésére alkalmasak. Ebben az esetben is az őrlőgép típusának és az üzemeltetési paramétereknek a kiválasztása a kiindulási szemcsemérettől, a minta mennyiségétől és a kívánt finomságtól függ. 20 ml-ig terjedő kis mennyiségek esetén általában az MM 400-at használják. Nagyobb adagok esetén a TM 300 néhány órán belül körülbelül 500 g, 5 mm-es szemcseméretű salakot képes 25 µm-es végső finomságúra feldolgozni, nagyobb dobokkal pedig akár 2 kg-nál is több mintát képes kezelni.
Ütésminták
120mm, 30 kg
BB 300
15 minimum | < 3 µm
15 mm, 250 g
PM 100
5 minimum | < 500 µm
15 mm, 200 g
SK 300
20 minimum | < 700 µm
5 mm, 500 g
TM 300
4 óra | < 25 µm
lebontási hulladék
A lerombolási hulladék jelentős potenciálot kínál, mint egy erőforrás-hatékonyabb cementipar SCM-je és cement helyettesítője. Az olyan anyagok, mint a beton, Téglák, kerámia és morzsa, releváns ásványi összetevőket tartalmaznak; azonban feldolgozás nélkül általában nem reagálnak eléggé ahhoz, hogy közvetlenül SCM-ként vagy cement helyettesítőjeként használhatók legyenek. Ezért a szennyeződéseket először el kell távolítani, és az ásványi frakciókat szelektíven kell feldolgozni. Ha ez nem elegendő, a finomdarabolás jelentősen növeli a specifikus felületet, ami javítja az anyag reaktivitását.
Fontos különbséget tenni az anyagfajták között: a zúzott beton gyakran alacsony természetes reaktivitást mutat, és ezért általában erősebb aktiválást igényel, hogy SCM-ként működjön. Ezzel szemben a téglamaradványok már tartalmazhatnak pozzolan-reaktív fázisokat az égett agyag tartalma miatt, és ezért gyakran könnyebben használhatók SCM-ként és cement helyettesítőként; azonban általában még mindig óvatos válogatást és finomdarabolást igényelnek.
Ily módon a lerombolási hulladékból származó SCM-ek segíthetnek a klinker helyettesítésében, csökkentik a CO2-kibocsátást és zárják az építőipar anyagciklusát.
Beton törmelék 12 mm, 45 kg
TM 500
3 óra | 100 µm
Beton törmelék 4 mm, 200 g
PM 100
20 minimum | 100 µm
Brick töredékek 8 mm, 2 kg
TM 300
1 óra | 40 µm
Az anyag hajlamos agglomerálódni az RS 200-ban és elzárja a finom képernyőket a SK 300-ban; ezért a mérsékelt sebességgel működő golyók és néhány csepp etanol hozzáadása ajánlott.
Újrahasznosított üveg
Az újrahasznosított üveg fontos szerepet tölt be a cementiparban, mint SCM, segítve a CO2-kibocsátás csökkentését és a természeti erőforrások megőrzését. Amikor az újrahasznosított üveg nagyon finoman darálódik, olyan üvegpor keletkezik, amely pozzolan tulajdonságokat fejt ki, és így SCM-ként használható. A SCM-ként való használatának kulcsfontosságú követelményei közé tartozik a magas finomság, a megfelelő kémiai összetétel és a bemeneti anyagok következetes minősége.
Az újrahasznosított üveg az SCM-ként való felhasználása mellett nyersanyagként is használható a klinker előállításában, a kvarc helyettesítéseként; ebben az alkalmazásban azonban csak az ásványi nyersanyagokat helyettesíti, és nem tekinthető cement helyettesítőnek. Egy másik alkalmazás a beton aggregátumként való felhasználása.
Az újrahasznosított üveg tehát bemutatja, hogy a másodlagos nyersanyagok hogyan tehetik a cementipart fenntarthatóbbá és erőforrás-hatékonyabbá. A homogenizáláshoz tipikusan a zsinórtörőket és például a lemezvibrátorokat használják.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 minimum | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 minimum | 100 µm
Fedezzen fel izgalmasabb fejezeteket, és élvezze szakértelmünket Click on the chapters to explore!
Égetetlen mészkő, kagylóhéj és puzzolánok feldolgozása cementpótló anyagként
Számos ásványi cementpótló anyag feldolgozható szokásos cementlaboratóriumi őrlőberendezésekkel. Az égetetlen mészkövet ideális esetben pofás-törőgépekkel, majd golyós malmokkal dolgozzák fel. A kagylóhéjak is főként CaCO₃-ból állnak, de vékonyabbak a tipikus mészkőmintáknál, ezért vágómalmokkal hatékonyan előzúzhatók, majd az Ultra Centrifugal Mill ZM 300-ban finoman őrölhetők; a vágómalmokhoz készült 6 tárcsás rotor alkalmas erre a célra, a ZM 300-ban pedig kopásálló, volfrámkarbid bevonatú rotorok, valamint távolságsziták használhatók. A lágyabb kiegészítő cementanyagokat, pl. a puzzolánokat vagy a vulkáni anyagokat, mint a habkő, szintén rotormalmokkal dolgozzák fel, például a ZM 300-zal 5 l-ig terjedő mennyiségek esetén, vagy az SR 300-zal nagyobb mintamennyiségek esetén. 1 mm alatti szitaszemcseméret esetén a ciklonok megkönnyítik a minta kiürítését és segítik a porképződés megakadályozását.
Kagylók & Puzzolánok
50 mm, 100 g
BB 50
1 minimum | 2 mm
80 mm, 1 kg
Előzúzás SM 200
Finom őrlés ZM 300
3 minimum | 0,3 µm
5 mm, 200 g
SR 300
45 s | < 500 µm
2 mm, 90 g
ZM 300
2,5 minimum | 0,1 mm
Növényi eredetű cementkiegészítő anyagok (SCM-ek) és hamuból nyert cementpótló anyagok
A hamuból nyert növényi anyagok – különösen az élelmiszeripari hulladékokból, például rizshéjakból származók – kiegészítő cementképző anyagként (SCM) és cementpótló anyagként használhatók. Homogenizálásuk a salakokhoz vagy a mészkőhöz hasonló módon történik. A kopásálló SK 300 különösen alkalmas kopó hatású mintákhoz, míg 500 µm alatti finom őrléshez golyós malmokat (kis és közepes mennyiségű mintákhoz) vagy dobmalmokat (nagyobb mennyiségekhez) használnak. Maga a növényi alapú nyersanyag (pl. rizshéjak, napraforgómag-héj pelletek vagy szalmamaradványok) is elemzésre szorul; az előzetes méretcsökkentéshez aprítómalmokat használnak, majd a finom őrléshez a ZM 300-at, nagyobb mennyiségek esetén pedig az SR 300-at. Rostos minták esetén mindig érdemes ciklonokat használni, mivel ezek hűtik az anyagot, javítják a minta kiürítését és megakadályozzák a por képződését; a lassú, egyenletes adagolás vagy a távsziták használata szintén segít csökkenteni a hőfelhalmozódást. A DR 100 adagolórendszer könnyebb és egyenletesebb mintaadagolást tesz lehetővé.
A pelletekben található részecskék finomsága a használt őrlőgép típusától függ
Ha az őrölt minta rosttartalmát csökkenteni kell, a darálógépek szitáit vagy az SR 300-at fordított irányban lehet felszerelni, illetve a rotordarálók esetében csökkenthető a rotor fordulatszáma. Az XRF-elemzéshez nagyon finom őrlésre van szükség – gyakran 50 µm alatt; hogy a golyósmalmok vagy a rotormalmok alkalmasabbak-e, az a későbbi elemzéstől függ, mivel a golyósmalmok finomabb eredményeket adnak, de hosszabb időt vesznek igénybe, és több fémkopást okozhatnak [3]. Ha a kopás nem kritikus, az XRF-eredmények reprodukálhatóságára vonatkozó általános szabály: minél finomabb, annál jobb. [2]
Növényminták
Walnut héj 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 minimum | 150 mm
Rizshéja 8 mm, 200 g
ZM 300
8 minimum | 0,5 mm
Rizshéjból származó hamu 15 mm, 450 g
SK 300
2 minimum | 1 mm
Napraforgómag-héj granulátum 30 mm, 500 g
ZM 300
15 minimum | 0,5 mm
Szalma 20 mm, 300 g
SR 300
7 minimum | < 200 µm
A mechanokémia és a cement találkozása: Az agyagégetés alternatívái és az agyagok aktiválási technológiája
cAz aktivált agyagok a legígéretesebb cementkiegészítő anyagok (SCM-ek) közé tartoznak, mivel világszerte elérhetők, helyben is beszerezhetők, és jelentős klinker-csökkentést tesznek lehetővé. A reaktív agyagokat hagyományosan agyagkalcinálással állítják elő, de a mechanokémiai aktiválás egy új, feltörekvő technológia, amely bizonyos alkalmazásokban vonzó alternatívát jelenthet. Az agyag mechanokémiai aktiválása – különösen olyan golyós malmok használatával, mint a PM 100 vagy a PM 300 – mechanikai energiát használ a kristályszerkezet megváltoztatására, az amorfizáció elősegítésére és a reaktivitás növelésére, így számos helyi agyagtípus használhatóvá válik cementpótló anyagként. A PM 100 és a PM 300 ideálisak ehhez a folyamathoz laboratóriumi és kísérleti méretben. Tanulmányok igazolják, hogy a mechanikusan aktivált agyagok finomabbak, szerkezetileg módosultak és kémiailag reaktívabbak, mint a kalcinált agyagok, különösen azok, amelyek magas csillámtartalommal rendelkeznek. Az aktivációs technológia folyamatirányításának kulcsfontosságú eleme a GrindControl rendszer, amely folyamatosan méri a hőmérsékletet és a nyomást az őrlőedény belsejében, segít megelőzni a túlmelegedést, és fontos betekintést nyújt a mechanokémiai reakciókba. Az érzékelők különböző méretű edényekkel kompatibilisek. Az agyag aktiválása során a hőmérséklet és a nyomás jelentősen emelkedik, ami gázfelszabadulásra és ásványi átalakulásra utal; ez a monitorozás elengedhetetlen a reaktivitás szabályozásához és az SCM-termékek állandó minőségének biztosításához. Az adatok az agyag összetételére vonatkozó következtetések levonását is segíthetik – például a magasabb dolomit-tartalmú anyagok a CO₂-kibocsátás miatt nagyobb nyomást generálnak [1].
Különböző agyagok reaktivitása termikus és mechanikai aktiválás után; GrindControl nyomásnövekedés tükrözi a dolomit tartalmat
Egy tanulmány [2] azt vizsgálja, hogy a mechanokémiai aktiválás során felhasznált energia hogyan befolyásolja az agyagok kémiai reaktivitását, különös tekintettel a bolygóműves golyós malmokra. A bolygóműves golyós malom előnyös laboratóriumi eszköz, mivel lehetővé teszi olyan kulcsfontosságú paraméterek pontos beállítását, mint a forgási sebesség, a golyó-por arány és az őrlési idő. Közel 100 adatpont elemzésével a kutatók szoros összefüggést állapítottak meg a felhasznált energia és az agyagok reaktivitása között. A kémiai reaktivitás gyorsan növekszik az energia-bevitellel, egészen körülbelül 100 kJ/g-ig, míg a további növekedés csak csekély további hatást mutat. Gyakorlati szempontból a PM 300 bolygóműves golyós malom – amely nagy fordulatszámon, például 850 fordulat/perc sebességgel működik – jelentős előnyöket kínál azáltal, hogy maximalizálja az energia-bevitelt és felgyorsítja az agyagalapú kiegészítő cementkötő anyagok (SCM-ek) aktiválási folyamatát.
A Bath-i Egyetem kísérleti tervezésében a Planetary Ball mills különböző fagyási körülményeit tesztelték annak érdekében, hogy értékeljék a legjobb paraméterkonfigurációt a legmagasabb agyagaktiváláshoz minimális energiafogyasztással. Úgy tűnik, hogy a 25 nagyobb golyó-por arány előnyös, valamint a legalább 600 fordulat/perc nagyobb sebesség. Mindössze 20 perc alatt figyelemre méltó reaktivitást értek el, a legkisebb energiafogyasztás csak 0,22 kWh volt (az eredmények Dr. Ilda Tole engedélyével).
Érdekes módon a Vibratory Disc Mill RS 200 is használható az agyag aktiválásához, bár kissé alacsonyabb aktiválási sebességgel. Itt előnyösnek bizonyult, ha a töltöttségi szint nem túl magas – a 40 g-os minta optimális volt. Ismét, a 1400 ppm-es gyorsabb sebesség előnyösnek tűnik. Az idő és az energiafogyasztás ugyanabban a tartományban volt, mint a Planetary Ball Mills.
Forduljon hozzánk ingyenes konzultációért!
A RETSCH termékek és szolgáltatások leányvállalatok és teljes körűen képzett forgalmazók globális hálózatán keresztül érhetők el. Munkatársaink szívesen segítenek Önnek bármilyen kérdésben.
Kiegészítő cementkötő anyagok (SCM-ek) feldolgozása és aktiválása: cementpótló anyagok és agyagaktiválási technológia - Gyakori kérdések
Mik azok a kiegészítő cementkötő anyagok (SCM-ek)?
A kiegészítő cementkötőanyagok (SCM-ek) olyan cementpótló anyagok, amelyek a cementben és a betonban a mészkő és/vagy a hagyományos portlandcement-klinker egy részét helyettesítik.
Miért járulnak hozzá a kiegészítő cementkötő anyagok (SCM-ek) a CO₂-kibocsátás csökkentéséhez?
Csökkentik a szükséges klinker mennyiségét. A klinker előállítása a mészkő kalcinálási reakciója és a kemencei folyamat magas energiaigénye miatt jelentős CO₂-kibocsátással jár, így a klinker SCM-ekkel való helyettesítése közvetlenül csökkenti a folyamatból származó kibocsátást, és elősegítheti a körforgásos gazdaság elveinek megfelelő erőforrás-felhasználást.
Milyen anyagok használhatók SCM-ként, és mi befolyásolja azok rendelkezésre állását?
Példaként említhetők a salakok, a repülőhamu, a puzzolánok/vulkanikus kőzetek (pl. habkő), az égetetlen mészkő, a kagylóhéjak (CaCO₃-ban gazdagok), az élelmiszeripari hulladékokból származó hamu (pl. rizshéjak), a kalcinált agyagok és a bányászati meddők. A rendelkezésre állás az ipari trendekkel változhat – például a hatékonyabb acélgyártás csökkentheti a salak rendelkezésre állását, a szénalapú villamosenergia-termelés visszaesése pedig korlátozhatja a repülőhamu-kínálatot.
Hogyan működik az agyag aktiválása, és miben különbözik az agyag kalcinálásától?
A reaktív agyagokat hagyományosan 800 °C-on történő kalcinálással állítják elő, míg a mechanokémiai aktiválás egy olyan aktiválási technológia, amely az őrléssel (pl. PM 100 vagy PM 300 bolygóműves golyósmalmokban) növeli az agyag reaktivitását. A mechanikai energia módosítja a kristályszerkezetet, elősegíti az amorfizációt, és szélesebb körű helyi agyagok felhasználását teszi lehetővé. A folyamatirányítást a GrindControl (hőmérséklet-/nyomásfigyelés) segíti.
Hivatkozások
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