水泥与混凝土有什么区别?如何降低混凝土对环境的影响?

普通人对与混凝土的了解总是有限的,例如:它是多孔的;它是世界上消耗最多的材料,仅次于水;它不是水泥。尽管许多人交替使用“水泥”和“混凝土”,但它们实际上是指两种不同但相关的材料:混凝土是由多种材料制成的复合材料,其中一种是水泥。

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水泥是什么?

  • 水泥生产始于石灰石,一种沉积岩。
  • 采石后,将其与二氧化硅源(例如工业副产品炉渣或粉煤灰)混合,并在华氏2700度的窑炉中烧制,从窑中出来的东西称为熟料,水泥厂将熟料研磨成极细的粉末,并加入一些添加剂,最终形成的就是水泥。
  • 如果在水泥中加入沙子,它将变成砂浆;如果在砂浆中添加大骨料,直径最大至一英寸的石,它将变成混凝土。

是什么使水泥如此坚固?

  • 使水泥如此坚固的,是水泥和水混合时发生的化学反应,这种过程称为水化。在水化过程中,熟料溶解到钙中,并与水和二氧化硅复合,形成二氧化硅钙水合物。
  • 硅钙水合物(CSH)是决定水泥稳定性的关键。它们结合在一起,形成紧密的化学键,为材料提供强度。不过,它们同样会使水泥具有多孔性。
  • 在CSH键之间的空间中,会形成3纳米大小的细孔,这些被称为凝胶孔。在水化过程中任何未反应形成CSH的水都会残留在水泥中,从而形成另一组较大的孔隙,称为毛细孔。
  • 尽管具有这种孔隙率,但水泥仍具有出色的强度和粘结性能。当然,通过降低这种孔隙率,可以生产出密度更高甚至更坚固的最终产品。

高性能混凝土的诞生

  • 从1980年代开始,工程师们设计了一种材料——高性能混凝土(HPC)。
  • 当时人们意识到可以通过降低水灰比来部分减少毛细孔,同时还添加了某些成分,产生更多的CSH并减少水合后残留的水。从本质上讲,它减少了孔隙并提高了材料的强度。
  • 当然,降低高性能混凝土的水灰比也需要更多的水泥。并且取决于水泥的生产方式,这会增加材料对环境的影响。部分原因是,当在窑中烧制碳酸钙以生产常规水泥时,会发生化学反应,从而产生二氧化碳(CO 2)。
  • 水泥CO 2排放的另一个来源来自加热水泥窑。由于窑中需要极高的温度(2,700 F),因此必须使用化石燃料进行加热。窑的电气化正在研究中,但目前在技术上或经济上都不可行。
  • 由于混凝土是世界上最受欢迎的建筑材料,水泥是混凝土中使用的主要粘合剂,因此这两种CO 2来源是水泥造成全球排放量约8%的主要原因。

如何降低混凝土对环境的影响?

  • 混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料,当今已经存在许多减少混凝土足迹的技术。碳捕获、利用和储存在减少水泥和混凝土对环境的影响方面具有巨大的潜力,同时也创造了巨大的市场机会。
  • 根据气候与能源解决方案中心(Center for Climate and Energy Solutions)的数据,到2030年,混凝土中的碳利用将拥有4000亿美元的全球市场。一些公司,如固化技术公司和碳固化公司,通过设计水泥和混凝土,在生产过程中利用并必然隔离二氧化碳,走在了曲线的前面。
  • 目前,混凝土混合物的确切规格是预先规定的。随着时间的推移,混凝土在建筑和基础设施中的应用可以降低温室气体的排放。例如,混凝土建筑可以有很高的能源效率,而混凝土路面的表面和结构特性允许汽车消耗更少的燃料。
  • 混凝土也可以通过暴露在空气中来减少它最初的一些影响。混凝土的独特之处在于,它在整个生命周期中通过一种叫做碳化的自然化学过程来吸收碳。
  • 当空气中的二氧化碳与水泥发生反应形成水和碳酸钙时,碳化作用在混凝土中逐渐发生。2016年发表在《自然地球科学》(Nature Geoscience)上的一篇论文发现,自1930年以来,混凝土碳化已经抵消了43%的水泥生产过程中碳酸钙向熟料化学转化的排放。
  • 然而,碳酸化有一个缺点。它会导致钢筋的锈蚀,经常在混凝土内设置。展望未来,工程师们可能会寻求在碳化过程中最大限度地吸收碳,同时最小化其可能造成的耐久性问题。
  • 碳化,以及碳捕获、利用、储存和改良混合等技术,都将有助于生产低碳混凝土,要实现这一目标,需要学术界、产业界和政府的合作。