Spracovanie a aktivácia doplnkových cementových materiálov (SCM): Náhradné materiály za cement a technológia aktivácie ílu
Doplnkové cementové materiály (SCM) sú široko používané náhradné materiály, ktoré v cementoch a betónoch nahrádzajú časť vápenca alebo tradičného portlandského cementového slinku. Využitie doplnkových cementových materiálov (SCM) je jedným z najúčinnejších prostriedkov na zníženie emisií CO₂, pretože pri výrobe slinku vznikajú veľké množstvá CO₂: jednak v dôsledku chemickej reakcie pri kalcinácii vápenca a jednak v dôsledku energetickej náročnosti procesu v vysokoteplotnej peci. Nahradením napríklad časti slinku doplnkovými cementovými materiálmi sa zníži potreba slinku, čo priamo znižuje emisie CO₂ súvisiace s procesom. Okrem toho sú mnohé doplnkové cementové materiály priemyselnými vedľajšími produktmi alebo miestne dostupnými nerastnými zdrojmi, čo môže znížiť spotrebu nových zdrojov a podporiť zásady obehového hospodárstva.
| Náhradné diely pre Clinker & Portland Cement |
|---|
| Morské škrupiny obsahujú veľké množstvo vápna a po mletí sa dajú použiť podobne ako nespálený vápenec. |
| Mliečna popola: V dôsledku znižovania využívania uhoľných elektrární sa dostupnosť mliečnej popola neustále znižuje. |
| Calcinované hliny možno kalcinovať pri teplote 800 °C. Hoci počas kalcinácie sa uvoľňuje CO2 - podobne ako pri pálení vápna - požadované teploty sú výrazne nižšie. |
| Odpadové materiály z výroby ocele sa recyklujú. Avšak tieto priemyselné procesy sa stávajú efektívnejšími, čo znižuje dostupnosť šrotu. |
| Piesok z potravinového odpadu, ako sú ryžové šupky, možno použiť na nahradenie portlandského cementu. |
| Obaly z banského odpadu môžu dokonca zvýšiť pevnosť cementu v závislosti od ich zloženia. Výhodou je úspora zdrojov, pretože odpad sa opätovne používa, napríklad namiesto prírodného piesku. |
| Odpady z demolácie možno spracovať (fínovo rozomleté) a aktivovať na použitie na úrovni cementu ako SCM, čo umožňuje zníženie klinkera pri efektívnom recyklovaní minerálnych zdrojov. |
| Použité sklo možno použiť ako SCM, surovina nahrádzajúca kvarc. |
Homogenizácia strusiek ako doplnkových cementových materiálov (SCM)
Spoľahlivá laboratórna charakterizácia cementových prísad na báze trosky (SCM) začína dôkladnou prípravou vzoriek. Trosky sú často veľmi nehomogénne a môžu obsahovať kovové zvyšky, preto je potrebné pred ďalším spracovaním najskôr odstrániť magnetické zložky. Na mletie a homogenizáciu sa zvyčajne používajú čeľusťové drviče na predbežné mletie, po ktorých nasledujú guľové mlyny alebo kladivový mlyn SK 300 na jemné mletie. Pri výbere vhodného čeľusťového drviča sú kľúčovými faktormi vstupná veľkosť častíc, množstvo vzorky a požadovaná konečná jemnosť.
Dvojstupňový postup predbežného drvenia v čeľusťovom drviči – najskôr so širokou medzerou a potom s úzkou medzerou – je často rýchlejší ako priame pretláčanie materiálu úzkou medzerou. V mlyne SK 300 je možné efektívne spracovávať kusy materiálu s veľkosťou až približne 20 mm; drvič dosahuje konečnú jemnosť okolo 700 µm a vďaka svojej robustnej konštrukcii a odrazovým platniam z karbidu volfrámu je vhodný pre abrazívne materiály.
Guľové mlyny sú vhodné na jemné mletie vzoriek trosky s veľkosťou až 15 mm. Aj v tomto prípade závisí výber typu mlyna a prevádzkových parametrov od vstupnej veľkosti častíc, množstva vzorky a požadovanej konečnej jemnosti. Pre malé objemy do 20 ml sa bežne používa model MM 400. Pre väčšie dávky dokáže model TM 300 za niekoľko hodín spracovať približne 500 g trosky s veľkosťou častíc 5 mm na konečnú jemnosť 25 µm a s väčšími bubnami zvládne dokonca aj viac ako 2 kg vzorky.
Vzorky trosky
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
Demolition waste
Demolition waste offers significant potential as an SCM and cement substitute for a more resource-efficient cement industry. Materials such as concrete debris, bricks, ceramics, and mortar contain relevant mineral components; however, without processing they are usually not sufficiently reactive to be used directly as SCMs or cement substitutes. Therefore, impurities must first be removed and the mineral fractions must be selectively processed. Fine grinding significantly increases the specific surface area, which improves the material’s reactivity. At the same time, mechanical activation can disrupt the crystal structure and thereby enhance its suitability as an SCM and cement substitute. If this is not sufficient, the reactivity can be further increased through chemical activation.
It is important to differentiate between material types: crushed concrete often exhibits low natural reactivity and therefore typically requires stronger activation to function as an SCM. In contrast, brick residues may already contain pozzolanically reactive phases due to their fired clay content and are therefore often easier to use as SCMs and cement substitutes; however, they generally still require careful sorting and fine grinding.
In this way, SCMs derived from demolition waste can help replace clinker, reduce CO₂ emissions, and close material cycles in the construction industry.
Konkrétne trosky 12 mm, 45 kg
TM 500
3 Hodiny | 100 µm
Konkrétne trosky 4 mm, 200 g
PM 100
20 min | 100 µm
Brick fragmenty 8 mm, 2 kg
TM 300
1 Hodiny | 40 µm
Materiál má tendenciu aglomerovať v RS 200 a upcháva jemné obrazovky v SK 300; preto sa odporúčajú guľôčkové mlynčeky pracujúce pri stredných rýchlostiach a pridávanie niekoľkých kvapiek etanolu.
Recycled Glass
Recycled glass can play an important role in the cement industry as an SCM, helping to reduce CO₂ emissions and conserve natural resources. When recycled glass is ground very finely, it forms a glass powder that can develop pozzolanic properties and thus be used as an SCM. Key requirements for its use as an SCM include a high degree of fineness, a suitable chemical composition, and consistent quality of the input material.
In addition to its use as an SCM, recycled glass can also be used as a raw material in clinker production, substituting quartz; however, in this application it only replaces mineral raw materials and is not considered a cement substitute. Another application is its use as an aggregate in concrete.
Recycled glass therefore demonstrates how secondary raw materials can make the cement industry more sustainable and resource efficient. Jaw crushers and, for example, disc vibratory mills are typically used for homogenization.
40 mm, 1 kg
BB 50
2 min | 2 mm
50 mm, 100 g
RS 200
10 min | 100 µm
Objavte ďalšie vzrušujúce kapitoly a využite naše odborné znalosti Click on the chapters to explore!
Spracovanie nevypáleného vápenca, mušlí a pucolánov ako náhradných materiálov za cement
Niekoľko minerálnych náhradných materiálov za cement je možné spracovávať pomocou štandardných mlecích zariadení pre cementárne. Nevypálený vápenec sa ideálne spracováva pomocou čeľusťových drvičov a následne v guľových mlynoch. Mušle sa tiež skladajú prevažne z CaCO₃, ale sú tenšie ako typické vzorky vápenca, a preto ich možno efektívne predmlieť pomocou strižných mlynov a jemne zomlieť v ultraodstredivom mlyne ZM 300; na tento účel je vhodný 6-diskový rotor pre strižné mlyny a v mlyne ZM 300 je možné použiť rotory odolné proti opotrebeniu s povlakom z karbidu volfrámu, ako aj dištančné sito. Mäkšie doplnkové cementové materiály, napr. pucolány alebo vulkanické materiály ako pemza, sa tiež spracúvajú pomocou rotorových mlynov, ako je ZM 300 pre objemy do 5 l alebo SR 300 pre väčšie množstvo vzoriek. Pri otvoroch sita menších ako 1 mm cyklóny uľahčujú vyprázdňovanie vzoriek a pomáhajú zabrániť tvorbe prachu.
mušle & puzolány
50 mm, 100 g
BB 50
1 min | 2 mm
80 mm, 1 kg
Predbežné drvenie SM 200
Jemné mletie 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
Rastlinné doplnkové cementové materiály (SCM) a náhradné materiály za cement získané z popola
Rastlinné materiály z popola – najmä tie, ktoré pochádzajú z odpadov potravinárskeho priemyslu, ako sú ryžové šupky – môžu slúžiť ako doplnkové cementové materiály (SCM) a náhrady cementu. Dajú sa homogenizovať rovnakým spôsobom ako struska alebo vápenec. Odolný model SK 300 je zvlášť vhodný pre abrazívne vzorky, zatiaľ čo na jemné mletie pod 500 µm sa používajú guľové mlyny (pre malé až stredné množstvá vzoriek) alebo bubnové mlyny (pre väčšie množstvá). Samotné rastlinné suroviny (napr. ryžové šupky, pelety zo šupiek slnečnicových semien alebo zvyšky slamy) musia byť tiež analyzované; na predbežné zmenšenie veľkosti sa používajú strižné mlyny, po ktorých nasleduje model ZM 300 alebo, pri väčších objemoch, model SR 300 na jemné mletie. Pri vláknitých vzorkách je vždy potrebné zvážiť použitie cyklónov, pretože ochladzujú materiál, zlepšujú výstup vzorky a zabraňujú tvorbe prachu; pomalé a rovnomerné podávanie alebo použitie dištančných sietí tiež pomáha obmedziť hromadenie tepla. Podávací systém DR 100 umožňuje jednoduchšie a konzistentnejšie vkladanie vzoriek.
Jemnosť častíc v peletách závisí od typu použitého mlyna
Ak je potrebné znížiť obsah vlákien v mletom vzorke, sitá v strižnych mlynoch alebo v zariadení SR 300 možno namontovať v opačnej polohe, prípadne možno znížiť otáčky rotora v rotorových mlynoch. Pre analýzu XRF je potrebné veľmi jemné mletie – často pod 50 µm; či sú vhodnejšie guľové mlyny alebo rotorové mlyny, závisí od následnej analýzy, keďže guľové mlyny poskytujú jemnejšie výsledky, ale trvajú dlhšie a môžu spôsobiť väčšie opotrebenie kovu [3]. Ak opotrebenie nie je kritické, všeobecné pravidlo pre reprodukovateľné výsledky XRF je: čím jemnejšie, tým lepšie. [2]
Vzorky rastlín
Walnut shells 40 mm, 500 g
SK 300
7,5 min | 150 mm
Ryžové šupky 8 mm, 200 g
ZM 300
8 min | 0,5 mm
Popol z ryžových šupiek 15 mm, 450 g
SK 300
2 min | 1 mm
Peletky zo šupiek slnečnicových semien 30 mm, 500 g
ZM 300
15 min | 0,5 mm
Slama 20 mm, 300 g
SR 300
7 min | < 200 µm
Mechanochemia a cement:
Alternatívy kalcinácie ílu a technológie aktivácie ílov
Aktivované íly patria medzi najsľubnejšie doplnkové cementové materiály (SCM), pretože sú dostupné po celom svete, dajú sa získavať z miestnych zdrojov a umožňujú výrazné zníženie spotreby slinku. Reaktívne íly sa tradične vyrábajú kalcináciou ílu, avšak mechanochemická aktivácia je nová technológia, ktorá môže v určitých aplikáciách predstavovať zaujímavú alternatívu. Mechanochemická aktivácia ílu – najmä pomocou guľových mlynov, ako sú PM 100 alebo PM 300 – využíva mechanickú energiu na zmenu kryštálovej štruktúry, umožnenie amorfizácie a zvýšenie reaktivity, čím sa široká škála miestnych druhov ílu stáva použiteľnou ako náhradné materiály za cement. Mlyny PM 100 a PM 300 sú ideálne vhodné pre tento proces v laboratórnom a pilotnom meradle. Štúdie ukazujú, že mechanicky aktivované íly sú jemnejšie, štrukturálne modifikované a chemicky reaktívnejšie ako kalcinované íly, najmä tie s vysokým obsahom slídy. Kľúčovým prvkom riadenia procesu aktivačnej technológie je systém GrindControl, ktorý nepretržite meria teplotu a tlak vo vnútri mlecieho nádoba, pomáha predchádzať prehriatiu a poskytuje dôležité informácie o mechanochemických reakciách. Senzory sú kompatibilné s nádobami rôznych veľkostí. Počas aktivácie ílu dochádza k výraznému nárastu teploty a tlaku, čo svedčí o uvoľňovaní plynu a premene minerálov; toto monitorovanie je nevyhnutné na riadenie reaktivity a zabezpečenie konzistentnej kvality produktov SCM. Tieto údaje môžu tiež podporiť závery o zložení ílu – napríklad materiály s vyšším obsahom dolomitu generujú vyšší tlak v dôsledku uvoľňovania CO₂ [1].
Reaktivita rôznych ílov po tepelnej a mechanickej aktivácii; nárast tlaku v systéme GrindControl odráža obsah dolomitu
Štúdia [2] skúma, ako vstupná energia počas mechanochemickej aktivácie ovplyvňuje chemickú reaktivitu ílov, so zameraním na planetárne guľové mlyny. Planetárny guľový mlyn je preferovaným laboratórnym nástrojom, pretože umožňuje presné nastavenie kľúčových parametrov, ako sú rýchlosť otáčania, pomer guľôčok k prášku a dĺžka mletia. Analýzou takmer 100 dátových bodov vedci zistili silnú koreláciu medzi vstupnou energiou a výslednou reaktivitou ílu. Chemická reaktivita rýchlo stúpa s rastúcim energetickým vstupom až do hodnoty približne 100 kJ/g, zatiaľ čo ďalšie zvýšenie má len minimálny dodatočný vplyv. V praxi ponúka planetový guľový mlyn PM 300 – prevádzkovaný pri vysokých otáčkach, napríklad 850 ot/min – významné výhody tým, že maximalizuje energetický vstup a urýchľuje proces aktivácie doplnkových cementových materiálov (SCM) na báze ílu.
V návrhu experimentu na University of Bath boli testované rôzne frézovacie podmienky v planétových guľôčkach s cieľom vyhodnotiť najlepšiu konfiguráciu parametrov pre najvyššiu aktiváciu hliny s minimálnou spotrebou energie. Zdá sa, že vyššie pomery guľôčok k prášku 25 sú prospešné, spolu s vyššou rýchlosťou aspoň 600 ot./min. Za pouhých 20 min bola dosiahnutá pozoruhodná reaktivita pri najnižšej spotrebe energie len 0,22 kWh (výsledky s povolením Dr. Ilda Tole).
Zaujímavé je aj to, že Vibratory Disc Mill RS 200 možno použiť na aktiváciu hliny, hoci na mierne nižšie aktivácie. Tu sa ukázalo, že je to prospešné, ak úroveň plnenia nie je príliš vysoká – vzorka 40 g bola optimálna. Opäť sa zdá, že vyššia rýchlosť 1400 ot./min. Je prospešná. Čas a spotreba energie boli v rovnakom rozsahu ako pre Planetary Ball Mills.
Kontaktujte nás pre bezplatnú konzultáciu
Produkty a služby spoločnosti RETSCH sú dostupné prostredníctvom globálnej siete dcérskych spoločností a plne vyškolených distribútorov. Naši pracovníci vám radi pomôžu s akýmkoľvek dopytom, ktorý by ste mohli mať.
Spracovanie a aktivácia doplnkových cementových materiálov (SCM): Náhradné materiály za cement a technológia aktivácie ílu - FAQ
Čo sú doplnkové cementové materiály (SCM)?
Doplnkové cementové materiály (SCM) sú materiály, ktoré v betóne a cementových zmesiach nahrádzajú časť vápenca a/alebo tradičného portlandského cementového slinku.
Prečo doplnkové cementové materiály (SCM) prispievajú k zníženiu emisií CO₂?
Znižujú množstvo potrebného slinku. Výroba slinku je náročná na emisie CO₂ v dôsledku kalcinácie vápenca a vysokej energetickej náročnosti procesu v peci, takže nahradenie slinku cementovými náhradami (SCM) priamo znižuje emisie súvisiace s týmto procesom a môže podporiť využívanie zdrojov v rámci cirkulárnej ekonomiky.
Aké materiály sa dajú použiť ako SCM a čo ovplyvňuje ich dostupnosť?
Medzi príklady patria trosky, popolček, puzolány/vulkanické horniny (napr. pemza), nespálený vápenec, mušle (bohaté na CaCO₃), popol z odpadu potravinárskeho priemyslu, ako sú ryžové šupky, kalcinované íly a hlušiny z ťažby. Dostupnosť sa môže meniť v závislosti od priemyselných trendov – napríklad efektívnejšia výroba ocele môže znížiť dostupnosť strusky a znížená výroba elektrickej energie z uhlia môže obmedziť dodávky popolčeka.
Ako funguje aktivácia ílu a čím sa líši od kalcinácie ílu?
Reaktívne íly sa tradične vyrábajú kalcináciou ílu pri teplote 800 °C, zatiaľ čo mechanochemická aktivácia je technológia, ktorá zvyšuje reaktivitu ílu mletím (napr. v planetovych guľových mlynoch PM 100 alebo PM 300). Mechanická energia mení kryštálovú štruktúru, podporuje amorfizáciu a umožňuje využiť širšiu škálu miestnych ílov. Riadenie procesu je možné podporiť pomocou GrindControl (monitorovanie teploty/tlaku).
Referencie
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