Ny forskning kan minska CO2-Utsläpp i Cementproduktionen

Att använda slagg i stället för kalksten för att tillverka cement kan minska koldioxidutsläppen väsentligt. En ny, förbättrad processmodell gör det möjligt att förutse hur kvaliteten på cementen påverkas.

Cementindustrin har länge varit en central del av samhällsutvecklingen, men dess påverkan på miljön är fortfarande en utmaning.

– Brytningen av kalksten, som vid cementtillverkning, påverkar både natur och grundvatten. Den är dessutom väldigt beroende av nya brytningstillstånd, säger Erik Viggh, doktorand vid Institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitet.

För att hitta råvaror till cement som minskar behovet av naturlig kalksten har man undersökt metallurgisk slagg, en biprodukt från smältprocesser inom metallindustrin. Slagg har visat sig vara en lämplig ersättare som ger en betydande minskning av koldioxidutsläpp från processen. Däremot finns en osäkerhet kring hur cementens kvalitet påverkas.

Magnesium kan ge sprickor

Genom sin forskning har Erik Viggh utvecklat en kemisk modell som kan användas av cementindustrin för att utvärdera hur ändringar i processen och användning av råmaterial påverkar cementkvaliteten. Det gör det lättare att styra tillverkningen i riktning mot lägre klimatpåverkan.

Ett ämne som spelar en avgörande roll i cementtillverkningen är magnesium. Låga halter magnesium förekommer naturligt i kalksten, men det finns många gånger högre halter i slagg. När råmaterialet hettas upp till 1450 grader smälter magnesiumoxid och blir en del av den flytande massan. Vid nedkylning binds magnesium till de olika mineralerna i cementen. För mycket magnesium kan dock bilda ett mineral kallat periklas vid kylning, vilket kan orsaka problem som svällning och sprickbildning i betong.

Förutser resultatet

För att tackla detta fenomen har Erik Viggh skapat en processmodell med hjälp av avancerade beräkningar. Modellen simulerar bildandet av cementfaserna och tar hänsyn till tid, temperatur och råvarans sammansättning. Det gör det möjligt att förutse cementens kemiska innehåll i samtliga faser. Tidigare ingick endast kalk och kisel i beräkningen men nu ingår även aluminium, järn och magnesium.

För att säkerställa modellens pålitlighet utförde forskarna laboratorietester med cementprover som tillverkades med varierande mängd magnesiumoxid. Dessa prover analyserades för att förstå periklasbildning och diffusionen av magnesiumoxid mellan partiklarna under smältans bildning.

Föreslår framtida forskning

Resultaten från både simuleringar och tester ger insikter om mängd och sammansättning av cementfaserna som bildas vid uppvärmning och kylning. Dessa resultat stämmer även väl överens med tidigare publicerad data, vilket bekräftar forskningens vikt och relevans.

– Den förbättrade kemiska modellen tillsammans med tillgängliga termodynamiska data samt en nyutvecklad modell för kylning har god potential för att utvärdera användningen av alternativa råmaterial. Arbetet har också identifierat svaga punkter i tidigare processmodelleringen och ger förslag på vilka framtida forskningssatsningar som bör göras när helt nya tillverkningsprocesser för cement utvecklas, säger Erik Viggh.

Erik Viggh har mångårig erfarenhet från cementprocess och kvalitetsarbete inom Heidelberg Materials på fabrikerna i Slite och Skövde. De senaste 20 åren han varit anställd på utvecklingsavdelningen.

• Om avhandlingen
• Torsdagen den 14 september 2023 försvarar Erik Viggh, Institutionen för tillämpad fysik och elektronik vid Umeå universitet, sin avhandling med titeln Modellering av inverkan av magnesium från alternativa råmaterial på Portland cementklinker kemi. Disputationen äger rum kl. 13.00 i Aula Biologica i Biologihuset, Umeå universitet. Fakultetsopponent är Bo Björkman, professor i processmetallurgi vid Luleå tekniska universitet.
• Läs hela avhandlingen

Text: Sara-Lena Brännström, Umeå universitet, Kommunikatör med inriktning mot forskning på teknisk-naturvetenskaplig fakultet.