[发明专利]来自地球生发熟料的弗雷戈水泥

说明书

提供了用于混凝土的改进的水泥，其具有减少的碳足迹和改进的机械性能。与传统的波特兰水泥制造相比，制造熟料的无石灰石工艺可减少70％的碳足迹。在80℃至100℃的温度范围内使得所得水泥固化有利于增强混凝土中纤维矿物的生长。

发明领域

本发明涉及制造碳足迹减少的水泥的方法。

背景技术

高能化学过程是温室气体排放的主要原因，就混凝土而言是水泥生产。水泥制造占世界CO₂排放的8％，当波特兰水泥熟料所需的石灰石和富粘土岩石通过煅烧热分解时直接贡献(约70％的排放)，并且通过能源的使用，特别是来自化石燃料的燃烧间接贡献(约30％)。由于煅烧反应及其能源使用，每年全球排放约1300公吨/年的CO₂。如果我们考虑一辆典型的汽车每年排放约4.6吨二氧化碳，则通过使用新设计的熟料减少约70％的CO₂排放相当于美国75％的汽车不再上路。

重要的是，仅仅关注CO₂排放不足以实现可持续发展。上述估计不包括混凝土的寿命，现代混凝土会在最短10年内开始降解，总寿命设计为50-100年。文献中的研究强调了在评估混凝土生命周期影响时纳入主要因素即强度、适用性和耐久性的重要性。因此，最大限度地减少材料技术的碳足迹，同时在极端温度、应力和应力变化、化学环境及其复杂相互作用的背景下突破材料适用性的界限是至关重要的。

发明内容

这项工作的重点是通过使用替代原料来设计温室气体排放低至接近于零的水泥熟料，所述替代原料替代石灰，并且没有表现出碳足迹。最终输出是混杂砂浆结构的设计和测试，从纳米级构建块到宏观成分，展示了两个世界的最佳性能——罗马海洋混凝土(图1A)和由大自然创造的混凝土状岩石(图1B)。这些性能包括扩展的耐久性、物理化学弹性和在恶劣环境(即温度、应力变化和酸性流体)中的适用性。最重要的是，替代原料可减少70％的CO₂排放(图3)。

产生石灰的新岩石是火成岩而不是沉积岩——碳酸盐岩(即石灰岩和白云岩)所属的岩石类别。与碳酸盐一样，这些火成岩含有氧化钙(CaO，生石灰)作为其矿物组成的一部分。然而，这种组成缺乏碳酸根离子(CO₃^-)，碳酸根离子是在煅烧时释放CO₂的原因。

与现有熟料相比，优势和改进是多方面的：

首先，来自这种火成岩的新“石灰”本身就是水硬性的。

其次，其生产有助于减少CO₂排放。使用这种替代原料背后的关键理念是，水泥的生产不依赖于碳升级循环，而是依靠直接减少制造过程“上游”的碳排放。这种替代原料的高温处理不会导致反应产生碳足迹，从而将当前煅烧产生的CO₂排放减少约70％。当前旨在减少水泥制造中CO₂排放的技术在很大程度上依赖于碳升级循环，即碳捕获和封存(CCS)——即从工业活动中捕获废二氧化碳以诱导胶结，以及潜在的碳中和混凝土。然而，通过碳固化反应进行的CO₂矿物封存具有三个缺点。首先，这会产生碱性废水，必须对其进行处置。其次，在固化混凝土中形成碳酸盐矿物，这些碳酸盐矿物不稳定且易受化学风化。这引发了关于CO₂固化混凝土的长期稳定性和适用性方面的问题。第三，建设新水泥厂的高成本阻碍了该技术的开发。

第三，水硬性熟料产生硫铝酸钙水合物纤维。当在火山灰(pozzolanic ash)中熟化和分散时，它形成纤维簇，然后构成水泥的功能和结构单元。

第四，水硬性熟料产生地质聚合物。熟化时，熟料中碱金属氧化物(Na₂O和K₂O)、CaO和Al₂O₃的存在导致形成地质聚合物，其目的是增强纤维和基质之间的界面结合。地质聚合物表现出优异的机械和物理性能——从高压缩强度、热稳定性到耐酸性流体。