剑桥大学研究人员开发出一种生产低排放混凝土的突破性方法

剑桥大学的研究人员开发出一种革命性的方法，利用电弧炉大规模生产低排放混凝土，向可持续建筑迈出了一大步。这种方法不仅能回收水泥，还能显著减少二氧化碳排放。如果这种方法被广泛采用，并以可再生能源为动力，那么水泥生产将实现零排放。

这种方法被研究人员称为"绝对的奇迹"，它利用电弧炉（常用于钢材回收）同时回收水泥（混凝土的主要碳密集元素）。

混凝土是地球上使用量仅次于水的第二大材料，其排放量约占人为二氧化碳排放总量的 7.5%。如何在满足全球需求的同时减少混凝土的排放，是全球最大的脱碳挑战之一。

剑桥大学的研究人员发现，废水泥是石灰助熔剂的有效替代品，石灰助熔剂在钢材回收过程中用于去除杂质，通常最终成为一种被称为炉渣的废品。但用废旧水泥替代石灰后，最终产品是可用于制造新混凝土的再生水泥。

剑桥大学的研究人员在《自然》杂志上报道了他们开发的水泥回收方法，这种方法不会给混凝土或钢材的生产增加大量成本，而且由于减少了对石灰助熔剂的需求，大大降低了混凝土和钢材的排放量。

零排放的测试和潜力

该项目的合作伙伴材料加工研究所（Materials Processing Institute）最近进行的测试表明，可在电弧炉（EAF）中大规模生产再生水泥，这是首次实现这一目标。如果电弧炉由可再生能源驱动，这种方法最终可以生产出零排放的水泥。

剑桥大学工程系的朱利安-艾尔伍德教授是这项研究的负责人，他说："我们与建筑行业的成员就如何减少该行业的排放量举行了一系列研讨会。这些讨论产生了很多好主意，但有一点他们无法或不愿考虑，那就是一个没有水泥的世界。"

在英国材料加工研究所的电弧炉中首次生产电水泥的照片。资料来源：材料加工研究所

混凝土由沙子、砾石、水和作为粘合剂的水泥制成。虽然水泥在混凝土中所占的比例很小，但却造成了近 90% 的混凝土排放量。水泥是通过一种名为"熟料"的工艺制成的，在这种工艺中，石灰石和其他原材料被粉碎，并在大型窑炉中被加热到约 1450°C 的温度。这一过程将原料转化为水泥，但在石灰石脱碳转化为石灰的过程中会释放出大量的二氧化碳。

替代材料的挑战

过去十年来，科学家们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粉煤灰等替代材料代替，但这些替代材料需要被剩余的水泥化学激活才能硬化。

Allwood说："这也是一个数量问题--我们没有足够的替代品来满足全球每年约40亿吨的水泥需求。我们已经找到了低悬果实，可以通过精心混合和掺和来帮助我们减少水泥用量，但要想一直实现零排放，我们需要开始跳出固有思维。"

第一作者、工程系的 Cyrille Dunant 博士说："我在以前的工作中就有一个模糊的想法，如果有可能粉碎旧混凝土，取出沙子和石子，加热水泥就能去除水分，然后就能重新形成熟料。液态金属浴将有助于这种化学反应的进行，而用于回收钢材的电弧炉则很有可能。我们必须尝试一下。"

在英国材料加工研究所的电弧炉中首次生产电水泥的照片。资料来源：材料加工研究所

熟化过程需要热量和正确的氧化物组合，所有这些都存在于废旧水泥中，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。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组合是一种极好的炼钢熔渣，因为它发泡且流动性好，"Dunant 说。"如果平衡得当，炉渣冷却得足够快，最终就能得到活性水泥，而不会增加炼钢工艺的任何成本。"

通过这种回收工艺制作的水泥比传统水泥含有更多的氧化铁，但研究人员表示，这对水泥的性能影响不大。

剑桥电动水泥工艺的规模一直在迅速扩大，研究人员表示，到 2050 年，他们的年产量将达到 10 亿吨，大约相当于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用量，"Allwood 说。"混凝土既便宜又结实，而且几乎可以在任何地方制造，但我们却用得太多了。我们可以在不影响安全的情况下大幅减少混凝土的用量，但这需要政治意愿。剑桥电动水泥不仅是建筑行业的一次突破，我们还希望它能成为一面旗帜，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。"

编译来源：ScitechDaily