Cementas utvecklingsblogg: Varför är MgO-halten begränsad i Portlandcement?

Cementas Nollvision gör gällande att vi ska minska mängden koldioxidutsläpp vid tillverkning av klinker. En väg att nå dit kan vara att ersätta den naturliga råvaran kalksten med masugnsslagg eftersom den innehåller de fyra önskvärda oxiderna CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 men ingen karbonat. Råvaran till slaggbildaren vid stålverken är dolomitkalksten som dessutom innehåller varierande mängder MgO (Magnesiumoxid). Det är mycket önskvärt att maximera mängden slagg i råmjölet och på så sätt minska mängden karbonat i råmjölet, men med den av standarden EN-197 föreskrivna gränsen 5 % för MgO blir det en begränsning i det här fallet.

I min forskning som industridoktorand vid Umeå universitet, på institutionen för Tillämpad fysik och elektronik TEC-Lab, undersöker jag vad som bildas i klinkerns mikrostruktur när den maximala mängden MgO är mer än 5 % i klinkern.

I dokumentet EN 197-1 beskriver man klinker som en av huvudbeståndsdelarna i Portlandcement:”Portlandcementklinker tillverkas genom sintring av en noggrant sammansatt blandning av råmaterial (råmjöl, pasta eller slam) som innehåller ämnen, vanligtvis uttryckta som oxider, CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3 och små mängder av andra material. Råmjölet, pastan eller slammet skall vara finfördelat, väl blandat och sålunda homogent.

Portlandcementklinker är ett hydrauliskt material som till minst två tredjedelar av sin vikt skall bestå av kalciumsilikater (3CaO.SiO2 och 2CaO.SiO2) medan återstoden består av aluminium- och järnhaltiga klinkerfaser och andra föreningar. Viktförhållandet CaO/SiO2 får inte vara mindre än 2,0. Innehållet av magnesiumoxid (MgO) får inte vara större än 5,0 viktprocent”

Av de fem oxiderna är det fokus på MgO. Varför då? Det måste vara något viktigt med gränsen. MgO finns i vårt naturliga råmaterial och är bra att ha med när råmaterialet ska sintras i ugnen för att bli klinker. För er som undrar så är sintring en process där fasta kalciumsilikat partiklar sammanfogas och därför är höga temperaturer nödvändiga. Vid de höga temperaturerna i brännzonen bildas smältfasen som ska få igång sintringen så att partiklarna håller ihop.

Det är i det här skedet, mitt i cementugnens brännzon, där MgO bidrar positivt till smältfasens egenskaper. Smältfasen rinner som olivolja och kan smidigt täcka partiklarna som ska bli kalciumsilikater när sintringen är färdig. Sen återstår det att snabbt kyla klinkern med smältfasen och kalciumsilikaterna. Det är under kylningen man menar att mängden MgO kan bli problematisk.

Redan under 1930 talet blev det med hjälp av laboratorieförsök känt att med totalt 5 % MgO i klinkern fastnade ca 2 % MgO i kalciumsilikaterna som fasta lösningar efter kylningen. När smältan hade stelnat bildades det periklaskristaller av den resterande MgO som inte fastnade i kalciumsilikaterna. Periklas är den kristallina formen av MgO och i kontakt med vatten bildas det magnesiumhydroxid. Inget ont, det bildas ju kalciumhydroxid i betongen från klinkern kan man tycka, men tyvärr bildas magnesiumhydroxid mycket senare. Den bildas när betongen har mognat och då saknas det plats för de nya magnesiumhydraterna. Då sväller och spricker betongen, och det är inte bra!

Tillbaka till vad som kan hända med resterande MgO. Kyler man snabbt så är periklaskristaller så pass små och fint fördelade att det inte spelar någon större roll. Är kylningen däremot inte snabb är periklaskristallerna större och på så sätt orsaka bildning av magnesiumhydroxid. I litteraturen berättas det att med 5 % total MgO är antalet kristaller med snabb kylning inte problematiskt, men med dålig kylning är kristallerna stora och benägna att reagera.

Forskningen har under de 80 år som har gått inte undersökt mer om vad som egentligen händer vid snabb kontra långsam kylning. En förklaring kan vara att behovet inte har uppstått då den kalksten som är lämpligast för klinker innehåller bara 1-2 % MgO och fabriker har etablerats vid fyndigheterna.

Nu är det andra tider! Fabriker har moderniserats och vi behöver undersöka möjligheten att minska andelen naturlig kalksten och ersätta den med andra material. Vad som egentligen menas med bra och dålig kylning och vad det innebär att öka mängden MgO i klinkern blir viktiga frågor. 

Erik Viggh, projektledare utvecklingsavdelningen. 

Läs mer om Eriks forskning här.