剑桥大学的研究人员发明了一种大规模生产低排放混凝土的方法——这一创新可能会在向净零排放的转型过程中发挥变革作用。

研究人员称这种方法“绝对是一个奇迹”，它利用用于钢铁回收的电弧炉来回收混凝土中碳含量极高的成分水泥。

混凝土是地球上使用量第二大的材料，仅次于水，约占人类造成的二氧化碳总排放量的7.5%。在满足全球需求的同时，寻找一种可扩展、经济有效的方法来减少混凝土排放是世界上最大的脱碳挑战之一。

剑桥大学的研究人员发现，废水泥是石灰熔剂的有效替代品。石灰熔剂用于钢铁回收以去除杂质，通常最终会成为废品，即矿渣。但用废水泥代替石灰，最终产品就是再生水泥，可用于制造新混凝土。

据《自然》杂志报道，剑桥研究人员开发的水泥回收方法不会给混凝土或钢铁生产增加任何重大成本，而且由于对石灰熔剂的需求减少，大大减少了混凝土和钢铁的排放。

该项目合作伙伴材料加工研究所最近进行的测试表明，再生水泥可以在电弧炉(EAF)中大规模生产，这是首次实现这一目标。如果电弧炉采用可再生能源供电，这种方法最终可以生产出零排放水泥。

“我们与建筑行业的成员举行了一系列研讨会，讨论如何减少该行业的排放，”领导这项研究的剑桥大学工程系教授朱利安·奥尔伍德(JulianAllwood)表示。“这些讨论产生了许多好主意，但他们无法或不愿考虑的一件事就是一个没有水泥的世界。”

混凝土由沙子、砾石、水和水泥制成，水泥是粘合剂。尽管水泥在混凝土中所占比例很小，但几乎90%的混凝土排放都来自水泥。水泥是通过一个称为“熟料”的工艺制成的，其中石灰石和其他原材料被粉碎并在大型窑炉中加热到约1,450°C。该过程将材料转化为水泥，但随着石灰石脱碳为石灰，会释放出大量的二氧化碳。

在过去的十年中，科学家一直在研究水泥的替代品，并发现混凝土中大约一半的水泥可以用替代材料替代，例如粉煤灰，但这些替代品需要通过剩余的水泥进行化学活化才能硬化。

“这也是一个数量问题——我们实际上没有足够的替代品来满足全球每年约40亿吨的水泥需求，”Allwood说道。“我们已经找到了可以通过精心混合和调配来减少水泥用量的低成本方法，但要实现零排放，我们需要开始跳出固有思维模式。”

“我从以前的工作中模糊地想到，如果可以粉碎旧混凝土，取出沙子和石头，加热水泥会去除水分，然后它会再次形成熟料，”第一作者、同样来自工程系的CyrilleDunant博士说。“液态金属浴会促进这种化学反应，而用于回收钢铁的电弧炉似乎很有可能。我们必须尝试一下。”

烧结过程需要热量和正确的氧化物组合，所有这些都存在于废水泥中，但需要重新激活。研究人员测试了一系列由拆除废料制成的炉渣，并添加了石灰、氧化铝和二氧化硅。这些炉渣在材料加工研究所的电弧炉中与钢水一起加工，然后迅速冷却。

“我们发现水泥熟料和氧化铁的混合物是一种极好的炼钢炉渣，因为它能起泡，流动性好，”Dunant说道。“如果你能找到平衡，并能快速冷却炉渣，就能得到重新活化的水泥，而且不会增加炼钢过程的任何成本。”

通过这种回收工艺制成的水泥比传统水泥含有更高含量的氧化铁，但研究人员表示，这对性能影响不大。

剑桥电气水泥工艺规模正在迅速扩大，研究人员表示，到2050年，该工艺的产量可达到每年10亿吨，约占目前水泥年产量的四分之一。

“生产零排放水泥绝对是一个奇迹，但我们还必须减少水泥和混凝土的使用量，”奥尔伍德说。“混凝土便宜、坚固，几乎可以在任何地方生产，但我们用得太多了。我们可以大幅减少混凝土的使用量，而不会降低安全性，但需要有政治意愿才能实现这一目标。

“我们希望剑桥电气水泥不仅能成为建筑行业的突破，还能成为一面旗帜，帮助政府认识到，在实现零排放的道路上，创新的机会远远超出了能源领域。”

研究人员已为该工艺申请专利，以支持其商业化。该研究部分由英国创新署和英国研究与创新局(UKRI)下属的工程与物理科学研究委员会(EPSRC)资助。

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