Dansk projekt erstatter 35 procent af cementen i beton med ler

I et dansk projekt har Aalborg Portland, FLSmidth, iNano på Aarhus Universitet og Aalborg Universitet udviklet en metode, så ler kan erstatte op mod 35 procent af klinkerindholdet i cementen – en betragtelig højere andel, end det normalt er muligt at erstatte med andre kendte materialer.

Baggrunden er, at efterspørgslen på beton vokser konstant, og det samme gør efterspørgslen på affaldsmaterialer som flyveaske og højovnsslagge, som man i dag tilsætter til cementen eller betonen for at mindske behovet for den dyre cement.

I dag kan cementindustrien bruge al den flyveaske og alle de slagger, der bliver tilbage i ovnene på kulkraftværker og stålværker. Derfor leder cementproducenter efter andre materialer, som kan erstatte en del af klinkerindholdet i cement.

På dette nyopførte forsøgsanlæg på FLSmidths forskningscenter i Mariager har projektpartnere lavet de første større batches af calcineret ler. Efterfølgende betonprøver hos Aalborg Portland har vist, at det kan bruges i flere forskellige typer beton uden problemer. Oppe på forsøgsanlægget står projektleder og ingeniør Lea Lindequist Køhler fra FLSmidth. (Foto: FLSmidth) Illustration: FLSmidth

»De resultater, vi har fået ud af lercalcineringsprocessen hos os og prøvningen af betonen hos Aalborg Portland, er så lovende, at der absolut er grund til at arbejde videre med det,« fortæller afdelingschef for forskning og udvikling hos FLSmidth Ole Mogensen.

Konsortiet har koncentreret sig om at udvikle en metode til at bruge ler som ‘supplementary cementitious material’ (SCM), fordi der findes gode lerforekomster mange steder i verden. For at kunne bruge leret, skal det først aktiveres termisk ved at fjerne de vandmolekyler, der er kemisk bundet til mineralerne. Det gøres ved en nøje kontrolleret opvarmning - en såkaldt calcineringsproces. Denne proces er i og for sig velkendt, eksempelvis bruger man i Brasilien gamle cementovne til den proces. Men det er ifølge Ole Mogensen meget ineffektivt.

»De får ikke fuldt udbytte af råmaterialerne på den måde, og rotorovnsprocessen er energitung.«

Reaktor varmer leret hurtigt op

Det danske konsortium bruger derimod en proces kaldet flashcalcinering, hvor tørret findelt ler varmes hurtigt op i en calcineringsreaktor. Den hurtige opvarmningsproces fjerner det kemisk bundne vand, hvorved mineralstrukturen nedbrydes til et reaktivt amorft produkt -. altså et produkt, der har en uregelmæssig opbygning i modsætning til et krystalinsk produkt. Samtidig skal temperaturen og andre procesbetingelser styres meget præcist.

»Hvis man ikke får alt vandet ud, bliver leret mindre reaktivt, og hvis temperaturen bliver for høj, sker der en rekrystallisering af lermineralerne, som også gør det mindre reaktivt.«

Styrkeudviklingen er lidt langsommere i cementer tilsat SCM (supplementary cementitious material). Men det håber konsortiepartnerne at kunne ændre i fremtiden. Eventuelt ved yderligere findeling både før og efter calcineringen. (Foto: FLSmidth) Illustration: FLSmidth

FLSmidth har produceret mindre batches på 100-200 kg, som Aalborg Portland har testet. Testene viser, at calcineret ler kan erstatte mindst 35 procent af klinkerandelen i cementen uden at påvirke den færdige betons egenskaber – enten ved at blive blandet med fint kridt efter calcineringen eller alene. Det eneste problem er, at styrkeudviklingen er lidt langsommere end ved rent portlandcement – men det er et problem, som gælder for alle typer SCM, siger Ole Mogensen.

»Styrkeudviklingsprofilen sætter nogle grænser for, hvor man kan anvende cementen. Hvis man har brug for en hurtig styrkeudvikling som i betonelementproduktion, vil man nok ikke anvende det. Men til insitu-støbt beton vil det godt kunne bruges.«

Styrkeudviklingsprofilen er en af de ting, der skal arbejdes videre med på et tidspunkt. Men i først omgang koncentrerer konsortiet sig om at gøre potentielle kunder interesserede i teknologien. Således tilbyder FLSmidth allerede produktionsanlæg med calcineringsreaktorer og har udviklet et mobilt anlæg, så betonproducenter kan eksperimentere med produktionen på deres egne fabrikker.

»Indtil videre er der ikke nogen, der har bestilt SCM-produktionsanlæg, men interessen er der helt sikkert,« forsikrer Ole Mogensen.

Regler står i vejen

FLSmidth regner med at inkorporere flere af de ting, som konsortiet har lært og vil lære frem mod projektets afslutning i 2014, i den næste generation af calcinere. En anden hurdle handler dog ikke om teknik men om regler, fortæller udviklingsdirektør Jesper Sand Damtoft fra Aalborg Portland.

»Det er et meget langt forløb – både markedsmodningsmæssigt, teknisk og regelmæssigt, som vi er inde i. Vi mener, at betonerne opfører sig ganske fornuftigt, men nu skal vi have skrevet brugen af lerbaserede SCM ind i normer, standarder og beskrivelser, så jeg vil tro, at vi har en tidshorisont på tre-fire år, før vi er klar med et kommercielt produkt.«

Materialeprøverne her viser en almindelig grå Portland cement (OPC) i midten; til venstre to meget forskellige råler-materialer fra forskellige geografiske lokaliteter før varmebehandling; til højre er de tilsvarende calcinerede lerprodukter efter varmebehandling, klar til iblanding i cement. (Foto: FLSmidth) Illustration: FLSmidth

Den europæiske cementnorm kommer snart i en revideret udgave, der tillader et højere iblandingsniveau af blandt andet lerbaserede SCM, men derefter vil der gå et stykke tid, før ændringerne træder i kraft i de enkelte lande. Men måske er det største potentiale for teknologien også i udviklingslande, hvor behovet for cement er stort, og adgangen til alternative materialer som flyveaske og højovnsslagge er begrænset.

»I nogle udviklingslande er cementkvaliteten desuden ikke så høj som i Danmark. Derfor kan man erstatte en større del af klinkerandelen i cementen med ler-baseret SCM, uden at det går ud over betonens styrke,« forklarer Jesper Sand Damtoft.

Konsortiets langsigtede mål er at erstatte 50 procent af cementklinkerne med ler-baseret SCM. Men det mål kan først nås i et eventuelt opfølgende projekt.