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2018-11-15 02:44 来源:中国崇阳网

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中国为世界贡献6成水泥,留下的污染问题如何解决?

随着工程应用的逐渐增加,人们发现,向水泥中掺加矿物掺和料不仅没有害,反而好像还有益。混凝土里掺了工业废料,既提升了性能,又减少了高污染物水泥的生产,还处理了堆积如山的工业废料,堪称完美。

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  出品| 网易新闻

  作者| 须臾千秋,清华大学土木工程博士

  随着雾霾等空气污染逐渐被越来越多的人直观感受到,人们对于环境保护的课题也越来越重视了。而提起水泥这样的建筑材料,首先映入我们脑海的词汇一定是“高污染”、“高耗能”、“落后产能”这些不好的词。

  的确,建筑材料曾经是一种污染非常严重的工业产品。混凝土是人类最大宗的建筑材料,而水泥是混凝土性能的核心。每生产一吨水泥,会消耗1.3吨石灰石、200公斤煤、80度电,同时排放0.8吨二氧化碳和大量的二氧化硫、粉尘等有害气体和颗粒。

  而由于中国的快速建设,到2016年,中国全年水泥生产量达到了24亿吨,达到了世界总产量的60%。


  (水泥厂的污染让人触目惊心)

  除了水泥外,混凝土的生产还需要大量的砂子和石子,据不完全统计,中国每年消耗的天然砂石骨料高达数十亿吨。几十年来,开山取石破坏了大量的山体和植被,造成水土流失和地质不稳定,大量挖取河砂也严重破坏了河流的生态系统。


  (大量开山采石严重破坏山体和地表植被)

  这样高耗能、高污染的建筑材料,如何变身成为环保材料呢?这要从工业废料开始说起。

  (一)令人头疼的工业废料

  火力发电厂燃煤发电,会排放出大量的烟尘。但这些烟尘并不会被直接排放进空气中,而是会在加装了尾气处理装置的烟囱中被捕捉出来,收集在一起。这种细灰叫做粉煤灰。过去,这些粉煤灰虽然被收集了起来,不再污染大气;但是无从处理,长期堆放在那里污染水和土壤。

  钢铁的冶炼同样也会产生大量的废弃物。在钢铁炼出的同时,煤和铁矿石中的杂质成分互相结合,形成高炉矿渣和钢渣,面临着与粉煤灰同样的境遇,无从处理,长期堆放。

  此外,许许多多的矿物冶炼都会留下废渣。什么镍渣、钴渣、磷渣……许许多多的废矿渣堆积如山,一度令人头疼。


  (堆积如山的废矿渣)

  (二)工业废料的新妙用从“偷工减料”开始

  几十年前,有人觉得水泥的价格太贵了,而粉煤灰这种东西长得跟水泥差不多,往水泥里面掺一点粉煤灰,哪怕稍微降低一些强度,但好歹可以降低一点成本。于是,抱着这种“偷工减料”的心态,矿物掺和料被引入了水泥。

  这下发电厂的老板可乐坏了:你肯要这些堆积如山的粉煤灰,可是帮我解决了大麻烦。不要钱!想拿多少拿多少!而材料工程师也发现,向水泥里掺一些粉煤灰,也不太影响混凝土的性能。其他的矿物掺和料,如矿渣、钢渣等也被掺入水泥,对强度的影响有大有小。但在仅仅二十年前,掺矿物掺和料的行为还被看作是偷工减料,重要的工程是绝不允许掺加矿物掺和料的。

  随着工程应用的逐渐增加,人们逐渐发现,向水泥中掺加这些矿物掺和料不仅没有害,反而好像还有益。比如掺加了粉煤灰之后,混凝土虽然早期强度比较低,但是随着时间的延长,强度居然越来越高,甚至比纯水泥的混凝土强度还高。

  并且,掺了粉煤灰之后,原本干硬的混凝土浆居然好拌了许多,成型也更加容易了。更绝的是,掺了粉煤灰之后,混凝土硬化的过程中放热也少了,因此裂缝也变少了。其它掺了矿渣、钢渣等工业废料的混凝土,虽然与粉煤灰并不完全相同,但也各有各的好表现。

  从此一传十、十传百,矿物掺和料的好处大家都有所耳闻。原来要花钱请人处理的堆积如山的粉煤灰,开始能卖上价了。不仅是卖上价,而且价格暴涨,很快就涨到了跟水泥价格差不了多少的程度。各大城市周边的发电站产生的粉煤灰都被卖到脱销了。

  矿渣的运气没有粉煤灰那么好,因为矿渣的性能并不稳定,有的铁矿石烧出来的活性高些,有的低些,但总的来说,都是卖得上价的好货。

  除了用粉末状的高活性工业废料替代水泥以外,对于那些低活性的工业废料,大块的钢渣还可以代替石子作为粗骨料,小颗粒的矿渣还可以代替砂子作为细骨料。这一方面减小了对于砂子、石子的开采,保护了山体和河道。另一方面,工业废渣做的骨料表面也有微弱的活性,可以与水泥反应,并紧密地结合在一起,很好地改善了混凝土的性能。


  (这些石子一样的颗粒就是钢渣。在混凝土里,它们和石子一样好用)

  在混凝土里掺了工业废料,既提升了性能,又减少了高污染物水泥的生产,又处理了堆积如山的工业废料,这岂不是“环保急先锋”?

  (三)“废品”为什么这么好用?

  随着硅酸盐材料研究的逐步深入,科学家们才意识到,工业废料成为宝贝并不是偶然的,其背后蕴含着复杂的机理。

  水泥与水反应,生成有强度的水泥石,并且将砂子石子粘接在一起的过程叫做水化。简单来说,这些工业废料是有一定化学活性的,但是它们本身并不能显示出这种活性。这也就是为什么长久以来工业废料堆积如山,没人发现它们的用途的原因。

  但是,水泥的水化过程中会产生对于强度有害的副产物,而这些副产物恰恰可以激发工业废料的活性,二者共同反应形成额外的有强度的水泥石。

  水泥和工业废料之间,是一种“君臣佐使”的关系,工业废料弥补了水泥的缺点,突出了水泥的优点,二者共同提供了优良的性能。

  (四)废物再利用,真的如此简单?

  废物利用当然并不是永远这么简单,如果那样的话,也就不需要科学家了。事实上,并不是所有的矿物掺和料都是只要简单地加进水泥中就可以放心使用了。

  比如,粉煤灰掺进水泥里,各方面表现都很好。矿渣掺进水泥里,平时还好,可一旦温度升高,比如在武汉的夏天,它反应的速度就会急剧上升,甚至将结构胀出好多裂缝来。再比如钢渣,不论怎么磨细,里面总是有些铁含量很高的硬颗粒,取又取不出来,放在里面又影响强度。而磷渣有些可以帮上忙,有些则不仅不帮忙,反而破坏强度,让整个结构变成一堆废物……

  总之,人类对于工业废料的利用还很稚嫩,可以说才刚刚开了个头,距离高效利用还离得远呢!

  现在,世界各大高校和科研院所都在积极地研究这一重大课题。为啥?

  首先当然是钱啊!堆积如山的工业废料每年的处理费,水泥每年的生产费,几百亿美元的市场,哪怕解决个1%也是好大一笔钱,对个人和社会都是巨大的利益。

  其次也不仅仅是钱。环境的好坏不是金钱能够衡量的,要是能够废物利用、减少污染,功德绝不仅在当代。

  因此,各国政府也都在支持它的研究。可要说研究最广、最深,还是在中国,为什么?

  最主要的原因,还是中国的需求最高。现如今,没有任何一个国家像中国一样,生产如此之多的水泥,发如此之多的电,产生如此之多的工业废料。同时也只有中国有如此之多的建设量,可以有能力消耗掉这些工业废料。

  此外,中国的环保形势又格外严峻,最有解决这个问题的紧迫感。因此,中国的矿物掺和料研究走在了前列。

  作为世界上认知度最高的标签,中国制造(Made in China)正寻求战略升级。「了不起的中国制造」专栏,力邀行业权威、资深玩家,呈现他们眼中的中国创新之路。

  投稿请联系newsresearch_ntes@163.com,稿件一经刊用,将提供千字800元的稿酬。

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  编辑| 于冉帝

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