XVI International Congress on Cement Chemistry – “Further Decarbonization and Circular Production and the Use of Cement and Concrete”

Full Text

Международный конгресс по химии цемента (ICCC) – один из самых авторитетных и представительных научных форумов, проводимый раз в четыре года, на котором ведущие ученые и производственники из всех стран мира, исследователи, аспиранты и студенты представляют и обсуждают современные достижения в исследовании и применении цементов и бетонов. С 18 по 22 сентября 2023 г. в Бангкоке (Таиланд) прошел очередной XVI Международный конгресс по химии цемента (ICCC 2023). Его организатором конгресса выступила Ассо- циация бетона Таиланда.

На конгресс, проходивший под девизом «Дальнейшая декарбонизация и циркуляционное производство и применение цемента и бетона», приехали более 2 тыс. участников из 49 стран. К сожалению, Россия, при всех традициях советской школы и достижениях науки о цементе и бетоне последних лет, была представлена лишь автором статьи и коллегой из АО «Волгацемент» (Саратов). Из стран СНГ не приехал никто.

Всего на пленарном заседании и многочисленных секциях было заслушано 579 докладов по направлениям, охватывающим весь цикл жизни цемента, от производства до переработки бетонных отходов:

1. Будущее строительства.
2. Новые аспекты в производстве портландцементного клинкера.
3. Гидратация портландцемента.
4. Снижение содержания портландцементного клинкера. Минеральные добавки.
5. Методы исследования и моделирование.
6. Новые «низкоуглеродные» цементы.
7. Химические добавки.
8. Совершенствование технологии и повышение качества бетона.
9. Долговечность бетона.
10. Устойчивое развитие, замкнутый цикл, переработка и рециклинг отходов.
11. Стандартизация цементов и бетонов.

Основные направления развития цементной и бетонной промышленности на ближайшие десятилетия главным образом базируются на задачах, сформулированных Международным энергетическим агентством [1], Европей- ской цементной ассоциацией [2], Мировой ассоциацией цемента и бетона [3], группами компаний «Хайдель- берг» [4], «Хольцим» и др. [5, 6, 7], в дорожных картах, нацеленных на обеспечение нулевого углеродного следа к 2050 г. при производстве и применении портландцемента и бетона. В большинстве пленарных докладов отмечалось, что полная декарбонизация потребует самой большой трансформации отрасли за всю историю существования цемента и бетона. Общими подходами к последовательному снижению выбросов СО₂ в предложенных дорожных картах на всеx этапах получения и применения цемента и бетона являются:

– на уровне производства портландцементного клинкера использование альтернативных видов топлива и сырь- евых материалов (критерий оценки – кг CO₂/т клинкера);

– на уровне производства портландцемента снижение содержания в нем портландцементного клинкера введением активных минеральных добавок (АМД) (критерий оценки – кг CO₂/т цемента);

– на стадии производства бетона снижение содержания в бетоне портландцемента (критерий оценки – кг CO₂/м³ бетона);

– на стадии проектирования, строительства и эксплуатации снижение содержания бетона в конструкции (критерий оценки – кг CO₂/м² площади).

В пленарном докладе М. Шнайдера и др. (Германия) «Завтра цементных заводов» [8] было отмечено, что с учетом огромного вклада бетона в развитие строительства на современном этапе для реализации циркуляционного принципа в цементной и бетонной индустрии необходима кооперация производителей, руководителей разных уровней, исследователей, экспертов по устойчивому развитию, архитекторов и проектировщиков. Только в этом случае строительная отрасль может стать полноценным участником циркуляционной экономики. Что касается будущего цементных заводов, несмотря на возрастающую роль АМД и бесклинкерных цементов, портландцементный клинкер в обозримом будущем останется ключевым компонентом цемента, а его получение путем обжига во вращающейся печи, обеспечивающей технологическую надежность и энергоэффективность, останется повсеместно распространенной технологией и главной частью цементного завода. Вместе с тем необходимым станет оснащение печей оборудованием для улавливания СО₂, так же как и организация структурных подразделений по его хранению и утилизации. Кроме этого, будет возрастать актуальность дальнейшего развития и таких направлений, как снижение клинкерного фактора проверенными способами, оптимизация реакционной способности портландцементного клинкера, в том числе при его помоле, использование альтернативных материалов и замена ископаемых видов топлива альтернативными. Среди перспективных альтернативных видов топлива – водород, получаемый по углеродно-нейтральным технологиям. Доля его использования в мировом масштабе составит в цементном производстве по прогнозам 10%.

Инновационное развитие цементной промышленности также связано с цифровизацией цементной отрасли, внедрением технологий искусственного интеллекта на всех стадиях, от производства до логистики. Базы данных будут использоваться для передачи важной информации в цифровом виде пользователям и потребителям цемента.

Пленарный доклад P. Тонга и др. (Китай) [9] был посвящен опыту комплексной цифровизации цементного завода в Китае. Внедрение роботов, онлайн оборудования, информационных платформ, технологий искусственного интеллекта, применение полностью автоматизированных систем контроля качества сырья и состава клинкера на «умном» цементном заводе позволило на 2–5% сократить энергоемкость производства, на 20% снизить трудоемкость, повысить эффективность управления и качество выпускаемой продукции.

Несмотря на довольно высокую изученность, в докладе «Успехи в исследовании гидратации и термодинами- ки цементных систем» К. Скривенер (Швейцария) с содокладчиками из Германии и Индии [10, 11] отметили значимость, в том числе и в контексте изменения состава современных цементов, дальнейшего изучения особенностей гидратации портландцемента по сквозьрастворному механизму на ранней стадии от атомного до микроуровня и применения для этого моделирования, изучения термодинамических характеристик водных растворов как ключевых параметров движущей силы гидратации. Состав продуктов гидратации как комплексных твердых растворов (C-S-H, AFt and AFm) остается важным объектом исследования, а макромодели их состава и структуры, основанные на фундаментальной термодинамике, нуждаются в большей гибкости для изуче- ния широкого перечня современных цементов.

Доклад Е. Куку (США) [12] был посвящен достижениям в области методов и подходов для исследования сложного состава и многоуровневой структуры цементных систем, дальнейшее исследование которых имеет исключительную важность и остается сложной задачей. Представлен обзор инноваций в области методик подготовки образцов к исследованиям, компьютерных алгоритмов и программного обеспечения, методов исследования качественного и количественного состава, структуры, визуализации процессов гидратации, коррозии цементного камня. Пока- зана эффективность птихографии и микротомографии в сочетании с синхротронной порошковой дифракцией, обеспечивающих получение комплексной картины реакций и продуктов гидратации цемента. Благодаря ЯМР- и Рамановской спектроскопии, методам визуализации значительно расширись представления о структуре C-(A)-S-H и N-(A)-S-H на атомном уровне. Очевидно, что сложные состав и структура цементных систем таковы, что не существует единственного метода, обеспечивающего получение всех необходимых данных о них, поэтому будущее в этой обла- сти за мультиметодным подходом к их изучению.

Перспективы развития малоклинкерных цементов как одного из основных направлений снижения углеродного следа цементов, рассмотренные в докладе М. Бен Хаха и др. (Герма- ния) [13], базируются не только на увеличении содержания АМД, но и на оптимизации технологии производства малоклинкерных вяжущих в целях более полной реализации потенциала как клинкерного, так и добавочного компонентов. В композиционных цементах тонкость помола портландцементного клинкера оказывает большее влияние на гидратацию, сроки схватывания цементного теста, состав продуктов твердения и физико-механические свойства цементного камня, чем в бездобавочных. Поэтому эффективные способы получения смешанных цементов с оптимальными свойствами при минимальном содержании клинкера – это введение активаторов помола, а также управление минералогией и плотностью упаковки частиц [13, 14]. Актуальной задачей остается повышение ранней прочности смешанных цементов с высоким содержанием АМД, решение которой возможно и требует дальнейших исследований путем введения ускорителей твердения, зародышеобразователей, наномодификаторов.

Последовательное и повсеместное снижение содержания портландцементного клинкера в цементах невозможно без расширения номенклатуры минеральных добавок и актуализации стандартов с учетом особенностей происхождения, состава, реакционной способности новых разновидностей. В последние годы резко возросло число публикаций по результатам исследований с различными АМД. C 2017 по 2022 г. количество публикаций в этой области, индексируемых в Google Scholar, составило более 25 тыс.

Следует отметить, что большая часть результатов исследований и опыта апробации портландцементов с АМД, представленных на конгрессе, была посвящена термоактивированным глинам и трехкомпонентному цементу LC3-50/30/15 (портландцементный клинкер/термоактивированная глина/известняк) [15–17], который рассматривается в качестве наиболее перспективного из композиционных и в ближайшее время будет коммерциализирован как CEM II/C-M. С одной стороны, с момента установления принципиальной возможности получения АМД на основе термоактивированных глин сырьевая база АМД стала практически неисчерпаемой. С другой стороны, несмотря на накопленный к настоящему времени многочисленными научными группами во всем мире опыт исследований и промышленной апробации композиционных портландцементов с добавками из термоактивированных глин, их внедрение требует продолжения комплексных исследований, связанных многофакторной зависимостью пуццолановой активности активированных глин от количественного и качественного минерального состава, морфологии частиц, режима термической активации, удельной поверхности глин и др.

Одна из проблем смешанных цементов с термоактивированными глинами – высокая водопотребность цементного теста, в особенности при высоком уровне замещения клинкера. Суперпластификаторы могут улучшить реологические характеристики в ранние сроки схватывания таких цементов, однако последними исследованиями показано, что при замещении клинкера метакаолином в количестве 40% для получения теста равной с бездобавочным подвижностью потребность в пластификато- ре возрастает в шесть раз. Поэтому разработка суперпластификаторов, адаптированных к структурным особенностям термоактивированных глин, – стремительно развивающееся направление исследований малоклинкерных цементов.

В докладе Р. Снеллингса (Бель- гия) [18], посвященном состоянию и перспективам расширения номенклатуры и сырьевой базы минеральных добавок для портландцемента, к АМД, привлекающим наибольший интерес, имеющим высокий потенциал при- менения, а также целесообразность в обеспечении циркуляционного принципа, отнесены также природные пуццоланы, отвальные топливные золы, золы от сжигания биомассы, тонкая фракция бетонного лома, вторичное стекло. Немаловажную роль во внедрении низкоуглеродных цементов и бетонов играют своевременные изменения правил и стандартов [18, 19]. Так, отсевы дробления бетонного лома как АМД включены в EN 197-6:2023 (EN 197-6:2023. Cement – Part 6: Cement with recycled building materials, 2023), согласно которому CEM II/B может содержать до 35% бетонного лома. Во Франции стандарт RE2020 регламентирует внедрение низкоуглеродного бетона, обеспечивающего снижение углеродного следа от использованных во время строительства и эксплуатации здания энергии и материалов в диапазоне 160–260 кг CO₂/м². В Швейцарии стандарт SIA 2049 предусматривает не только снижение углеродного следа цемента, но и его частичную замену антропогенными добавками, например природного известняка на бетонный лом, а природного гипса на рециклинговый гипсокартон.

Американским стандартом ASTM C618-23 расширен перечень АМД отвальными топливными шлаками и золами, что по прогнозам увеличит сырьевую базу АМД как минимум на 1 млрд т. В канадский стандарт CSA A3000 в качестве дополнительной АМД включено рециклинговое стекло. В странах Африки задача снижения содержания портландцементного клинкера в цементах решается путем увеличения перечня цементов с бинарными добавками на основе известняка, однако в связи с ограниченными запасами кальциевого карбонатного сырья проводятся исследования с доломитизированными известняками.

Китай сохраняет лидирующие позиции по производству цемента. В 2022 г. в Китае было произведено 2,12 млрд т цемента, что составляет 46% мирового объема производства. При этом доля выбросов СО₂ от цементной отрасли в общем их объеме составила 13%. Это стало одной из причин введения в Китае единственного в мире стандарта HJ2519-2012, ограничивающего углеродный след цемента в зависимости от вида АМД и прочности в диапазоне от 240–840 кг CO₂/т цемента.

Тенденция к увеличению содержания минеральных добавок вызывает необходимость исследования влияния их вида и содержания на комплекс физических, физико-химических и химических свойств теста и смесей на основе смешанных цементов [20–22]. В докладе Р. Флатта (Швейцария) [22] «От физики к химии цементного теста на смешанных цементах» поставлены следующие актуальные вопросы, требующие детальных исследований:

Как модификация морфологии эттрингита влияет на плотность упаковки частиц продуктов гидратации смешанных цементов?

Каковы степень и характер распределения и адсорбции химических добавок на частицах смешанного цемента в процессе схватывания?

Какие взаимодействия на ранних стадиях гидратации определяют расход химических добавок в смешанных цементах?

Какие реакции оказывают наибольшее влияние на потерю подвижности LC3 цементов и как проектирование структуры поликарбоксилатов может компенсировать негативное влияние добавок на реологические свойства цементного теста?

Большой интерес с точки зрения эффективного рециклинга с одновременной утилизацией CO₂ вызывают перспективные технологии получения АМД путем карбонизации в воздушной или жидкой среде при невысокой температуре и давлении высококальциевых промышленных отходов в виде сталеплавильных шлаков, зол, отходов дробления бетонного лома. Результатом обработки СО₂ высококальциевых минеральных отходов является образование карбоната и кальция и аморфного алюмосиликатно- го геля.

М. Зажаком (Германия) и др. [23] и С. Пууном (Гонконг) и др. [24] в пленарных докладах отмечено, что, несмотря на значительный прогресс в этой области, для успешного промышленного внедрения технологии карбонизации требуется интенсификация исследований по установлению оптимальных условий карбонизации, взаимосвязи реакционной способности конечного продукта с режимами обработки, удельной поверхностью и составом отходов.

Значительные успехи достигнуты в области бесклинкерных альтернативных цементов. В пленарном докладе З. Лиу и др. [25] были освещены пре- имущества цементов на основе карбонизируемых видов клинкера, опыт их промышленной апробации в Китае. Докладчики из компании «Экоцем» (Франция) поделились опытом использования шлакощелочного бетона при возведении олимпийских объектов в Париже. Профессор Н.Р. Рахи- мова выступила с докладом «Акти- вированные щелочами цементы на основе карбонатного и глинистого сырья» [26].

Вопросы и актуальные проблемы исследования долговечности были рассмотрены в пленарных докладах У.М. Ангста (Швейцария) [27] «Стальная коррозия бетона – ахиллесова пята современного бетона?» и К. Виирдта (Норвегия) и др. [28] «Хлоридная коррозия бетона».

Следующий XVII Международный конгресс по химии цемента пройдет в Дели (Индия) в 2027 г.

About the authors

N. R. Rahimova

Kazan State University of Architecture and Engineeri

Author for correspondence.
Email: rahimova.07@list.ru

Doctor of Sciences (Engineering)

Réunion, Kazan

R. Z. Rahimov

Kazan State University of Architecture and Engineering

Email: rahimova.07@list.ru

Doctor of Sciences (Engineering) 

Russian Federation, Kazan

References

Supplementary files