Celitement nytt bindemedel

Samarbete mellan SCHWENK och KIT.

Tillverkningen av cement är en klimatkrävande process som bidrar till en stor mängd koldioxidutsläpp. För att minska klimatpåverkan har SCHWENK Zement tillsammans med KIT utvecklat ett nytt mineraliskt bindemedel med lägre klimatavtryck – Celitement.

Portlandcement, som är en huvudbeståndsdel i betong, bidrar till stora koldioxidutsläpp inom byggbranschen. Cementtillverkningen är en termisk process där bränslet som används bidrar till det totala utsläppet av koldioxid vid cementproduktionen. Huvuddelen av utsläppet kommer från själva kalksten, ett av cementets råmaterial som termiskt bryts ned till kalciumoxid och koldioxid.

Portlandcementet bygger på kalciumsilikatkemi. De kemiska komponenterna kalcium och kisel är billiga att bryta och finns i de flesta länder i form av kalksten, lera och sand. I lera finns även aluminiumoxid, som är en mindre beståndsdel i cement. 

Alternativet till portlandcement är välja ett annat bindemedel som innehåller antingen kalciumaluminater, kalciumsulfoaluminater eller alkaliaktiverade puzzolaner och masugnsslagg, men dessa kan vara mer kostsamma och mindre robusta. 

För att försöka skapa en mer klimatsmart produktion av cement började under 2000-talet KIT (Karlsruhe Institute of Technology) tillsammans med SCHWENK Zement utvecklingen av ett nytt mineraliskt bindemedel. Bindemedlet, med namnet Celitement, består av de två huvudkomponenterna kalciumoxid och kiseldioxid, samt mindre andelar av aluminiumoxid, järnoxid eller alkalier som alla tre har halter under 3 %. Bindemedlet är tillverkat på ett helt nytt sätt, och till skillnad från portlandcementtillverkningen innefattar framställningen inte någon kalcineringsprocess.

Utgångsmaterial till celitementtillverkningen är kalkhydrat från en kalkfabrik och mald kiselsand från ett grustag. Tillverkningsprocessen liknar den för porbetong- eller kalksandsten, och i ett första steg blandas kalkhydrat och kiselsand med vatten för att formas till stenar. Stenarna staplas senare i en autoklav och vattenångsbehandlas därefter i 150 – 200 C under några timmar.

Under den höga temperaturen och vattenångatrycket, skapas med kalkhydrat och kvartssand kalciumsilikathydratfaser, så kallade C-S-H-faser. Det är C-S-H-faserna, som består huvudsakligt av CaO·SiO₂·H₂O (CSH), som är utgångspunkten till aktiveringsprocessen som överför inerta CSH till ett reaktivt bindemedel.

Innan aktiveringsprocessen påbörjas, krossas de autoklavierade stenarna och materialet torkas till en vattenhalt på mindre än 2 %. Material överförs sedan till en special kvarn som med hög energi under flera minuter maler ner materialet till ett reaktivt pulver. En process som kan beskrivas som en mekano-kemisk malning. 

Under malningen förlorar CSH fasen en stor del kristallvatten, som omvandlas till så kallad hydraulisk kalciumhydrosilikat (hCHS). hCHS reagerar med vatten och blir till kalciumsilikathydratfaser, som är också en huvudbeståndsdel av hydratiserat portlandcement. Bilden nedan visar hela tillverkningsprocessen av Celitement.

Principskiss av Celitementtillverkning. Ej visat är kalcinering av kalksten och släckning av kalk.

Celitement är därför ett hydrauliskt bindemedel som inte innehåller cementklinker (som portlandcement), utan hydrauliska kalciumhydrosilikater i mängder större än 60 %. 

Även om vi ännu inte har beräknat en EPD, en uppskattning av miljöpåverkan baserad av bindemedelkemin och tillverkningsprocessen, tyder mycket på att Celitement har ett lägre klimatavtryck jämfört med rent portlandcement. För tillverkningen av Celitement behövs en mindre mängd av kalciumoxid. Massaförhållandet av kalciumoxid till kiseldioxid i Celitement är 1:1 och i portlandcement 3:1. Detta betyder att man behöver tre gånger mer kalciumoxid än kiseldioxid i portlandcement, medan man i Celitement endast behöver lika delar av båda.

Beroende vilken typ av bränsle som används är koldioxidutsläppet i portlandcement 700 – 900 kg/t_cement och för Celitement förväntas ett utsläppsvärde på långt under 700 kg/t_Celitement. Detta på grund av lägre tillverkningstemperaturer och en mindre mängd av kalciumoxid. 

En EPD för Celitement är på gång, men fortfarande samlas tillverkningsparametrar in som inte är listade i de befintliga LCA databaserna.

Celitement är ett hydrauliskt bindemedel som reagerar med vatten till ett beständigt material med intressanta egenskaper. Hanteringen av Celitement är liknande hanteringen av portlandcementet men det finns ett antal skillnader:

• Kemin är enklare; huvudbeståndsdelar är kalciumoxid och kiseldioxid. Koncentrationen av aluminiumoxid och de andra oxiderna är väldigt låg < 3 % (men ofta < 2 %).
• Under hydratationen av Celitement bildas ingen calciumhydroxid.
• Mikrostrukturen av hydratiserat Celitement är tätare jämfört med mikrostrukturen av en portlandcementpasta med samma vct.
• Färgen av Celitement är ljusgrå och nästan vit.

Utvecklingen av tryckhållfastheten är liknande som ett CEM I 42,5 eller 52,5, men en egenskap är speciellt intressant. Nämligen att Celitement har en väldigt låg värmeutveckling under härdningen trots att materialet fortfarande behåller en bra tidig hållfasthetsutveckling (Fig. 3). Celitement kan man blanda med vanliga portlandcementprodukter i olika mängder.

Utvecklingen av tryckhållfasthet av Celitement och två CEM I med ekvivalenta vct (vänster) och värmeutveckling av Celitement, CEM III/B och CEM I med ekvivalenta vct (höger).

Beständighetsegenskaperna av bruk eller betong med Celitement är väldigt bra. Tack vare den låga värmeutvecklingen finns en låg risk för temperatursprickor. Det betyder att man kan minska armeringsmängden för sprickvidsbegränsning i en betong med Celitement.

Även frostbeständigheten av betong med Celitement är bra. För frostbeständigheten med tösalt är ett vct av 0,40 eller mindre rekommenderad. Även om Celitement saknar kalciumhydroxid och har ett lägre pH-värde än portlandcementpastan, så har det en tät mikrostruktur samt visar på en utmärkt korrosionsmotståndskraft och ett lågt kloridmigrationvärde

Celitement med inga kalciumaluminater visar ett väldigt högt motståndskraft till sulfatangrepp. Detsamma gäller för motstånd till alkalikiselreaktion (ASR) som visar excellenta värde i alla ASR provningstester.

Celitement kan används som ett bindemedel i betong, torrbruk, spackelmassa och för markstabilisering. Det finns applikationer som är predestinerade för Celitement:

• Betong med låg värmeutveckling och högt motstånd till sulfatangrepp och ASR. Applikationsområdet är infrastrukturanläggningar för trafik och energi, tex. broar, fundament för vindturbiner och dammar.
• Betong som måste ha ett högt motstånd till utlakning. På grund av låga halter av alkalier och ingen kalciumhydroxid, är ett användningsområde till exempel dricksvattenanläggningar (tex. vattenreningsverk) eller installationer i grundvattnet (tex. betong för tunnelanläggningar).
• Prefabindustrier, som har ett starkt hållbarhetstänk gynnar Celitement som har ett lågt klimatavtryck. Även den ljusa kulören passar bra för prefabindustrier eller andra områden där kulören är betydande. 
• Betong med Celitement kan värmebehandlas utan risk av DEF (Delayed Ettringite Formation).
• Celitement är inte känslig mot gipsprodukter och kan användas som ett bindemedel för betong med återvunnet rivningsavfall som visar en högre mängd av rester av gipsskivor.

2009 grundades företaget Celitement GmbH av KIT tillsammans med SCHWENK Zement som en industriell partner och tog Celitement från ett laboratoriumsprojekt till den industriella skalan. 2020 togs Celitement GmbH&Co.Kg helt över av SCHWENK Building Materials Group, och idag existerar en pilotanläggning i Karlsruhe som varje vecka kan tillverka ungefär fem ton Celitement.

Celitement som produkt har redan fått en REACH-certifiering. Bindemedlet är nu under granskning av DIBt (Deutsches Institut für Bautechnik) för ett användningstillstånd i Tyskland. Tillståndet kräver ett intensivt provningsprogram som avslutas 2024/25 och efter ett positivt besked från DIBt tillåts användningen av Celitement i Tyskland på samma sätt som portlandcement. Samtidigt investerar SCHWENK i att skala upp pilotanläggningen, till en full fabriksproduktion av Celitement i de kommande åren. 

Mer info på celitement.d

Möller, H. 2023, Celitement – A novel cement based on hydraulic calcium hydrosilicates (hCHS)