為世界貢獻(xiàn)6成水泥的中國,留下的污染問題如何解決?

清華大學(xué)土木工程博士 須臾千秋 · 2018-10-15 08:45 留言

  隨著工程應(yīng)用的逐漸增加,人們發(fā)現(xiàn),向水泥中摻加礦物摻和料不僅沒有害,反而好像還有益?;炷晾飺搅斯I(yè)廢料,既提升了性能,又減少了高污染物水泥的生產(chǎn),還處理了堆積如山的工業(yè)廢料,堪稱完美?! ?/p>

  隨著霧霾等空氣污染逐漸被越來越多的人直觀感受到,人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的課題也越來越重視了。而提起水泥這樣的建筑材料,首先映入我們腦海的詞匯一定是“高污染”、“高耗能”、“落后產(chǎn)能”這些不好的詞。

  的確,建筑材料曾經(jīng)是一種污染非常嚴(yán)重的工業(yè)產(chǎn)品?;炷潦侨祟愖畲笞诘慕ㄖ牧?,而水泥是混凝土性能的核心。每生產(chǎn)一噸水泥,會(huì)消耗1.3噸石灰石、200公斤煤、80度電,同時(shí)排放0.8噸二氧化碳和大量的二氧化硫、粉塵等有害氣體和顆粒。

  而由于中國的快速建設(shè),到2016年,中國全年水泥生產(chǎn)量達(dá)到了24億噸,達(dá)到了世界總產(chǎn)量的60%。

  

  (水泥廠的污染讓人觸目驚心)

  除了水泥外,混凝土的生產(chǎn)還需要大量的砂子和石子,據(jù)不完全統(tǒng)計(jì),中國每年消耗的天然砂石骨料高達(dá)數(shù)十億噸。幾十年來,開山取石破壞了大量的山體和植被,造成水土流失和地質(zhì)不穩(wěn)定,大量挖取河砂也嚴(yán)重破壞了河流的生態(tài)系統(tǒng)。

  (大量開山采石嚴(yán)重破壞山體和地表植被)

  這樣高耗能、高污染的建筑材料,如何變身成為環(huán)保材料呢?這要從工業(yè)廢料開始說起。

  (一)令人頭疼的工業(yè)廢料

  火力發(fā)電廠燃煤發(fā)電,會(huì)排放出大量的煙塵。但這些煙塵并不會(huì)被直接排放進(jìn)空氣中,而是會(huì)在加裝了尾氣處理裝置的煙囪中被捕捉出來,收集在一起。這種細(xì)灰叫做粉煤灰。過去,這些粉煤灰雖然被收集了起來,不再污染大氣;但是無從處理,長期堆放在那里污染水和土壤。

  鋼鐵的冶煉同樣也會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物。在鋼鐵煉出的同時(shí),煤和鐵礦石中的雜質(zhì)成分互相結(jié)合,形成高爐礦渣和鋼渣,面臨著與粉煤灰同樣的境遇,無從處理,長期堆放。

  此外,許許多多的礦物冶煉都會(huì)留下廢渣。什么鎳渣、鈷渣、磷渣……許許多多的廢礦渣堆積如山,一度令人頭疼。

  (堆積如山的廢礦渣)

  (二)工業(yè)廢料的新妙用從“偷工減料”開始

  幾十年前,有人覺得水泥的價(jià)格太貴了,而粉煤灰這種東西長得跟水泥差不多,往水泥里面摻一點(diǎn)粉煤灰,哪怕稍微降低一些強(qiáng)度,但好歹可以降低一點(diǎn)成本。于是,抱著這種“偷工減料”的心態(tài),礦物摻和料被引入了水泥。

  這下發(fā)電廠的老板可樂壞了:你肯要這些堆積如山的粉煤灰,可是幫我解決了大麻煩。不要錢!想拿多少拿多少!而材料工程師也發(fā)現(xiàn),向水泥里摻一些粉煤灰,也不太影響混凝土的性能。其他的礦物摻和料,如礦渣、鋼渣等也被摻入水泥,對(duì)強(qiáng)度的影響有大有小。但在僅僅二十年前,摻礦物摻和料的行為還被看作是偷工減料,重要的工程是絕不允許摻加礦物摻和料的。

  隨著工程應(yīng)用的逐漸增加,人們逐漸發(fā)現(xiàn),向水泥中摻加這些礦物摻和料不僅沒有害,反而好像還有益。比如摻加了粉煤灰之后,混凝土雖然早期強(qiáng)度比較低,但是隨著時(shí)間的延長,強(qiáng)度居然越來越高,甚至比純水泥的混凝土強(qiáng)度還高。

  并且,摻了粉煤灰之后,原本干硬的混凝土漿居然好拌了許多,成型也更加容易了。更絕的是,摻了粉煤灰之后,混凝土硬化的過程中放熱也少了,因此裂縫也變少了。其它摻了礦渣、鋼渣等工業(yè)廢料的混凝土,雖然與粉煤灰并不完全相同,但也各有各的好表現(xiàn)。

  從此一傳十、十傳百,礦物摻和料的好處大家都有所耳聞。原來要花錢請(qǐng)人處理的堆積如山的粉煤灰,開始能賣上價(jià)了。不僅是賣上價(jià),而且價(jià)格暴漲,很快就漲到了跟水泥價(jià)格差不了多少的程度。各大城市周邊的發(fā)電站產(chǎn)生的粉煤灰都被賣到脫銷了。

  礦渣的運(yùn)氣沒有粉煤灰那么好,因?yàn)榈V渣的性能并不穩(wěn)定,有的鐵礦石燒出來的活性高些,有的低些,但總的來說,都是賣得上價(jià)的好貨。

  除了用粉末狀的高活性工業(yè)廢料替代水泥以外,對(duì)于那些低活性的工業(yè)廢料,大塊的鋼渣還可以代替石子作為粗骨料,小顆粒的礦渣還可以代替砂子作為細(xì)骨料。這一方面減小了對(duì)于砂子、石子的開采,保護(hù)了山體和河道。另一方面,工業(yè)廢渣做的骨料表面也有微弱的活性,可以與水泥反應(yīng),并緊密地結(jié)合在一起,很好地改善了混凝土的性能。

  (這些石子一樣的顆粒就是鋼渣。在混凝土里,它們和石子一樣好用)

  在混凝土里摻了工業(yè)廢料,既提升了性能,又減少了高污染物水泥的生產(chǎn),又處理了堆積如山的工業(yè)廢料,這豈不是“環(huán)保急先鋒”?

  (三)“廢品”為什么這么好用?

  隨著硅酸鹽材料研究的逐步深入,科學(xué)家們才意識(shí)到,工業(yè)廢料成為寶貝并不是偶然的,其背后蘊(yùn)含著復(fù)雜的機(jī)理。

  水泥與水反應(yīng),生成有強(qiáng)度的水泥石,并且將砂子石子粘接在一起的過程叫做水化。簡單來說,這些工業(yè)廢料是有一定化學(xué)活性的,但是它們本身并不能顯示出這種活性。這也就是為什么長久以來工業(yè)廢料堆積如山,沒人發(fā)現(xiàn)它們的用途的原因。

  但是,水泥的水化過程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)于強(qiáng)度有害的副產(chǎn)物,而這些副產(chǎn)物恰恰可以激發(fā)工業(yè)廢料的活性,二者共同反應(yīng)形成額外的有強(qiáng)度的水泥石。

  水泥和工業(yè)廢料之間,是一種“君臣佐使”的關(guān)系,工業(yè)廢料彌補(bǔ)了水泥的缺點(diǎn),突出了水泥的優(yōu)點(diǎn),二者共同提供了優(yōu)良的性能。

  (四)廢物再利用,真的如此簡單?

  廢物利用當(dāng)然并不是永遠(yuǎn)這么簡單,如果那樣的話,也就不需要科學(xué)家了。事實(shí)上,并不是所有的礦物摻和料都是只要簡單地加進(jìn)水泥中就可以放心使用了。

  比如,粉煤灰摻進(jìn)水泥里,各方面表現(xiàn)都很好。礦渣摻進(jìn)水泥里,平時(shí)還好,可一旦溫度升高,比如在武漢的夏天,它反應(yīng)的速度就會(huì)急劇上升,甚至將結(jié)構(gòu)脹出好多裂縫來。再比如鋼渣,不論怎么磨細(xì),里面總是有些鐵含量很高的硬顆粒,取又取不出來,放在里面又影響強(qiáng)度。而磷渣有些可以幫上忙,有些則不僅不幫忙,反而破壞強(qiáng)度,讓整個(gè)結(jié)構(gòu)變成一堆廢物……

  總之,人類對(duì)于工業(yè)廢料的利用還很稚嫩,可以說才剛剛開了個(gè)頭,距離高效利用還離得遠(yuǎn)呢!

  現(xiàn)在,世界各大高校和科研院所都在積極地研究這一重大課題。為啥?

  首先當(dāng)然是錢??!堆積如山的工業(yè)廢料每年的處理費(fèi),水泥每年的生產(chǎn)費(fèi),幾百億美元的市場,哪怕解決個(gè)1%也是好大一筆錢,對(duì)個(gè)人和社會(huì)都是巨大的利益。

  其次也不僅僅是錢。環(huán)境的好壞不是金錢能夠衡量的,要是能夠廢物利用、減少污染,功德絕不僅在當(dāng)代。

  因此,各國政府也都在支持它的研究??梢f研究最廣、最深,還是在中國,為什么?

  最主要的原因,還是中國的需求最高。現(xiàn)如今,沒有任何一個(gè)國家像中國一樣,生產(chǎn)如此之多的水泥,發(fā)如此之多的電,產(chǎn)生如此之多的工業(yè)廢料。同時(shí)也只有中國有如此之多的建設(shè)量,可以有能力消耗掉這些工業(yè)廢料。

  此外,中國的環(huán)保形勢又格外嚴(yán)峻,最有解決這個(gè)問題的緊迫感。因此,中國的礦物摻和料研究走在了前列。


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