香港理工大学土木材料领域顶刊：一种新型固体废弃物衍生的水泥材料合成体系

由于快速的城市化和人口增长，水污染已成为一个严重的全球环境问题。中国香港特别行政区每天制造接近 300万立方米的污水，因而产生约1,200公吨的污泥。污水污泥中含有有害物质、重金属和病原体，因此需要对其进行适当的处理。焚烧已成为管理填埋污水污泥的可行选择。然而，焚烧后产生的大量污水污泥焚烧灰（ISSA）又带来了另一项环境挑战。除此之外，作为废弃混凝土等建筑垃圾的主要成分，如何处理再生混凝土细粉 (RCF) 仍是一个难题。

图1. 净化海港计划：收集和处理维港两岸的污水，改善维港的水质

此外，持续的城市化和人口增长推动了普通波特兰水泥(OPC)制造业的增长。OPC产量的激增不可避免地导致温室气体CO2的大量释放。据统计，水泥行业占全球CO2总排放量的7%，这主要是因为水泥的生产需要维持较高的烧结温度（约1450°C），这对于形成主要目标的硅酸三钙（C3S）相至关重要。而作为生产OPC的原料，石灰石在煅烧的过程中同样会放出大量的CO2。综上所述，如何采用合理的方法对ISSA和RCF进行处理并利用水泥基材料主动捕获和封存CO2，是增加固体废弃物利用率并减少混凝土碳足迹的有效方法。

为了减少固体废弃物，实现其在生态水泥材料领域的应用，来自香港理工大学土木与环境学系的研究人员采用热力学模拟和试验验证的方式，以ISSA和RCF为原料制备了低碳C2S生态水泥熟料。结果表明， 1200 °C 是高C2S 熟料合成的最佳温度（1200ARS），且整体废物利用率达到 95%，实现了固体废物回收利用的最大化。由于高含量的C2S (46.8 %) 与 CO2 反应形成 CaCO3 相和C-S-H凝胶，碳化养护后的1200ARS 生态水泥表现出比 OPC更高的抗压强度。碳化养护的1200ARS 生态水泥还获得了最低的孔隙率 (18.1 %) 和致密的微观结构。受益于C2S较高的二氧化碳反应性，1200ARS生态水泥表现出最佳的二氧化碳封存能力，碳化程度（30.1%）高于其他样品，该研究也为未来低碳水泥行业实现碳中和以及环境可持续性的发展提供了有希望的方向。

该研究发表在建筑材料领域顶级期刊Cement and Concrete Research上，题为“Binary solid wastes derived clinker: Raw feed system design validation and thermodynamic simulation investigation”。香港理工大学土木与环境工程学系朱路博士为第一作者，张诗鹏助理教授（通讯作者）及潘智生教授（Chi Sun Poon）为指导老师。

图2. 热力学模拟下温度对烧结产物的影响规律

图3. 杂质元素对C2S相合成的影响

图4. 合成的生态熟料形貌

图5. 碳化养护后生态水泥样品的力学强度和吸碳量

主要创新点：

• 采用热力学模拟和试验验证的方式建立了一种新型的固体废物衍生水泥熟料设计方法。

• 废弃物的整体利用率高达95%，实现了固体废物回收利用的最大化。

• 在碳化养护后，合成的生态水泥表现出比传统OPC水泥更高的力学性能。

• 采用固体废弃物制备的生态水泥具有更为优异的CO2储存能力。

本文来自微信公众号“材料科学与工程”。感谢论文作者团队大力支持。