一种全新生态混凝土配方将兼顾环境和经济发展

水泥是世界上使用最广泛的产品,它是不可缺少的,但它的名声在正在进行的气候辩论中已经变得相当污点。它与水、沙子和砾石混合,形成了混凝土,我们的现代世界就建立在混凝土上。

生态水泥的成分在混凝土实验室中混合。信用:Empa

研究背景

这种节约型材料之所以引人注目,主要是因为它的另一个特性:生产一吨水泥将会有700公斤的二氧化碳(CO2)被排放到大气中。虽然这比生产钢铁或铝的情况要少,但真正起作用的是数量。

每年,我们在世界范围内生产大约12立方公里的混凝土,这个数量可以完全填满卢塞恩湖——每年都重新填满,而且这一趋势还在上升。

水泥行业目前在全球二氧化碳排放中所占的比例约为7%。不过,由于亚洲的需求在增加,非洲的需求也在增加,而欧洲的生产或多或少是稳定的,这种情况今后可能会增加。

因此,现在是时候寻找一种既能为人们提供住房和基础设施,又兼顾环境因素的水泥了,这种水泥的生产能够符合我们的气候目标。

联合国环境规划署(UNEP)还呼吁立即开发和使用新型水泥基材料,这些材料对气候更加友好,同时具有成本效益。因此,Empa的研究人员正在研究其他类型的水泥和混凝土,它们产生的有害温室气体更少,甚至可以结合二氧化碳。

巨大的需求

在水泥生产过程中,石灰石通过化学反应排放了大量的二氧化碳。因此,减少石灰石的比例是开发生态水泥的一个有趣的方面。除了CSA水泥,研究人员还研究了其他行业中积累的废弃材料的替代成分。

其中包括用于生铁生产的高炉炉渣和煤炭燃烧后的飞灰。这两种产品都可以与水泥混合,以帮助减少二氧化碳的排放。

但这些二次原料无法满足该行业巨大的需求。因此,Empa的研究人员正在开拓新的领域,找出那些残留仍然很少使用的工业部门。

“从电子垃圾中回收贵金属会产生高质量的矿渣,这种矿渣也可以和水泥以粉末的形式混合,”Winnefeld解释说。如果矿渣的重金属含量符合法律标准,这种水泥也可以在瑞士使用。好消息是,我们废弃的手机和电脑留下的“城市矿山”沉积物在未来还会继续增加。

根据Winnefeld的说法,矿物建筑废料也可以用作水泥外加剂。水泥中添加剂的类型甚至可以改变,以完全消除燃烧过程。

在所谓的碱活化水泥中,像矿渣、灰或煅烧粘土这样的成分,通过像硅酸钠这样的强碱性溶液被活化到所需的化学反应。这种反应的产物结合形成一种材料,其抗压强度相当于燃烧的常规水泥。

混凝土中吸收了气候气体

在混凝土中凝结二氧化碳而不是释放二氧化碳的能力也是一个巧妙的特点。不含二氧化碳的混凝土将是一个真正的气候朋友。Empa的研究人员正在研究一种镁基水泥,它将为这种生态混凝土提供基础。

在土壤中发现含镁橄榄石的地区,可以获得原料资源。这种矿物主要存在于地幔深处。然而,如果它被火山活动带到地表,例如在斯堪的纳维亚,它可以被降解。

在用橄榄石生产水泥时,二氧化碳会被添加到原硅酸镁中。由于在随后的加工过程中,只有部分原料会被燃烧,因此产生的二氧化碳总量比之前消耗的要少。

尽管该产品已经有了一个吸引人的名字,但其性能在很大程度上仍未得到探索。

日益增长的多样性

为了确保这些方法不会最终成为小众产品,而是能够在工业上和成本上有效地生产出来,必须进行细致的分析,表明生态水泥满足与传统产品相同的要求。

目前,许多可替代的水泥缺乏添加新成分或修改制造工艺而不影响传统水泥的性能的简单配方。

只要生态水泥的至少同等性能不能被证明是毫无疑问的,经典的波特兰水泥,一种低成本和特性良好的建筑材料,将继续是土木工程师的选择材料。

Empa的水泥研究人员目前正在分析化学混合比和合格标准,如新型水泥的强度和耐久性,为符合标准的批准铺平道路。这些包括小规模和大规模的调查。

除了化学研究、微观分析和热力学模型研究水泥内部反应外,还比较了不同水泥类型的大型构件的承载能力。“工业流程必须得到优化,因为在很多情况下它们仍然过于昂贵,”温内菲尔德说。然而,很明显,其他类型的水泥可以用来生产耐久性相当甚至更好的混凝土。

无论如何,有一项发展已经出现:未来水泥和混凝土产品的种类将会增加。对于建筑材料生产商来说,这种多样性导致了需求的增加。

文章来源:phys.org