中國為世界貢獻6成水泥，留給自己的污染怎麼解決？

21世紀，隨著霧霾等空氣污染逐漸被越來越多的人直觀地感受到，人們對於環境保護的課題也越來越重視了。而提起水泥這樣的建築材料，首先映入我們腦海的辭彙一定是「高污染」、「高耗能」、「落後產能」這些不好的詞。

建築材料確實一度是污染大戶

的確，建築材料曾經是一種污染非常嚴重的工業產品。混凝土是人類最大宗的建築材料，而水泥是混凝土性能的核心。每生產一噸水泥，會消耗1.3噸石灰石、200公斤煤、80度電，同時排放0.8噸二氧化碳和大量的二氧化硫、粉塵等有害氣體和顆粒。而由於中國的快速建設，到2016年，中國全年水泥生產量達到了24億噸，達到了世界總產量的60%。

水泥廠的污染讓人觸目驚心。圖片來自網路

除了水泥外，混凝土的生產還需要大量的砂子和石子。據不完全統計，中國每年消耗的天然砂石骨料高達數十億噸。幾十年來，開山取石破壞了大量的山體和植被，造成水土流失和地質不穩定，大量挖取河砂也嚴重破壞了河流的生態系統。

大量開山採石嚴重破壞山體和地表植被。圖片來自網路

就是這樣高耗能、高污染的建築材料，是如何變身成為環保材料的呢？這要從工業廢料開始說起。

令人頭疼的工業廢料

火力發電廠燃煤發電，會排放出大量的煙塵。但這些煙塵並不會被直接排放進空氣中，而是會在加裝了尾氣處理裝置的煙囪中被捕捉出來，收集在一起。這種細灰叫做粉煤灰。過去，這些粉煤灰雖然被收集了起來，不再污染大氣；但是無從處理，長期堆放在那裡污染水和土壤。

鋼鐵的冶煉同樣也會產生大量的廢棄物。在鋼鐵煉出的同時，煤和鐵礦石中的雜質成分互相結合，形成高爐礦渣和鋼渣，面臨著與粉煤灰同樣的境遇，無從處理，長期堆放。

此外，許許多多的礦物冶煉都會留下廢渣。什麼鎳渣、鈷渣、磷渣……許許多多的廢礦渣堆積如山，一度令人頭疼。

堆積如山的廢礦渣，圖片來自網路

工業廢料的新妙用從「偷工減料」開始

幾十年前，有人覺得水泥的價格太貴了，而粉煤灰這種東西長得跟水泥差不多。往水泥裡面摻一點粉煤灰，哪怕稍微降低一些強度，但好歹可以降低一點成本。於是，抱著這種「偷工減料」的心態，礦物摻和料被引入了水泥。

這下發電廠的老闆可樂壞了：你肯要這些堆積如山的粉煤灰，可是幫我解決了大麻煩。不要錢！想拿多少拿多少！而材料工程師也發現，向水泥里摻一些粉煤灰，也不太影響混凝土的性能。其他的礦物摻和料，如礦渣、鋼渣等也被摻入水泥，對強度的影響有大有小。但在僅僅二十年前，摻礦物摻和料的行為還被看作是偷工減料，重要的工程是絕不允許摻加礦物摻和料的。

研究之後才發現，「偷工減料」竟然偷對了？

隨著工程應用的逐漸增加，人們逐漸發現，向水泥中摻加這些礦物摻和料不僅沒有害，反而好像還有益。比如摻加了粉煤灰之後，混凝土雖然早期強度比較低，但是隨著時間的延長，強度居然越來越高，甚至比純水泥的混凝土強度還高。並且，摻了粉煤灰之後，原本干硬的混凝土漿居然好拌了許多，成型也更加容易了。更絕的是，摻了粉煤灰之後，混凝土硬化的過程中放熱也少了，因此裂縫也變少了。其它摻了礦渣、鋼渣等工業廢料的混凝土，雖然與粉煤灰並不完全相同，但也各有各的好表現。

從此一傳十、十傳百，礦物摻和料的好處大家都有所耳聞。原來要花錢請人處理的堆積如山的粉煤灰，開始能賣上價了。不僅是賣上價，而且價格暴漲，很快就漲到了跟水泥價格差不了多少的程度。各大城市周邊的發電站產生的粉煤灰都被賣到脫銷了。

礦渣的運氣沒有粉煤灰那麼好，因為礦渣的性能並不穩定，有的鐵礦石燒出來的活性高些，有的低些。但總的來說，都是賣得上價的好貨。

除了用粉末狀的高活性工業廢料替代水泥以外，對於那些低活性的工業廢料，大塊的鋼渣還可以代替石子作為粗骨料，小顆粒的礦渣還可以代替砂子作為細骨料。這一方面減小了對於砂子、石子的開採，保護了山體和河道。另一方面，工業廢渣做的骨料表面也有微弱的活性，可以與水泥反應，並緊密地結合在一起，很好地改善了混凝土的性能。

這些石子一樣的顆粒就是鋼渣。在混凝土裡，它們和石子一樣好用。圖片來自網路

這混凝土裡摻了工業廢料，既提升了性能，又減少了高污染物水泥的生產，又處理了堆積如山的工業廢料，這豈不是「環保急先鋒」？

「廢品」為什麼這麼好用？

隨著硅酸鹽材料研究的逐步深入，科學家們才意識到，工業廢料成為寶貝並不是偶然的，其背後蘊含著複雜的機理。水泥與水反應，生成有強度的水泥石，並且將砂子石子粘接在一起的過程叫做水化。簡單來說，這些工業廢料是有一定化學活性的，但是它們本身並不能顯示出這種活性。這也就是為什麼長久以來工業廢料堆積如山，沒人發現它們的用途的原因。

但是，水泥的水化過程中會產生對於強度有害的副產物，而這些副產物恰恰可以激發工業廢料的活性，二者共同反應形成額外的有強度的水泥石。水泥和工業廢料之間，是一種「君臣佐使」的關係。像不同中藥之間相互配合一樣，工業廢料和水泥之間也在互相幫助。工業廢料彌補了水泥的缺點，突出了水泥的優點，二者共同提供了優良的性能。

工業廢料與混凝土之間的關係就像中藥，互相配合，達到最好「療效」。圖片來自網路

廢物再利用，真的如此簡單？

廢物利用當然並不是永遠這麼簡單。如果那樣的話，也就不需要科學家了。事實上，並不是所有的礦物摻和料都是只要簡單地加進水泥中就可以放心使用了。

比如，粉煤灰摻進水泥里，各方面表現都很好。

礦渣摻進水泥里，平時還好，可一旦溫度升高，比如在武漢的夏天，它反應的速度就會急劇上升，甚至將結構脹出好多裂縫來。

再比如鋼渣，不論怎麼磨細，裡面總是有些鐵含量很高的硬顆粒，取又取不出來，放在裡面又影響強度。

而磷渣有些可以幫上忙，有些則不僅不幫忙，反而破壞強度，讓整個結構變成一堆廢物……

總之，人類對於工業廢料的利用還很幼稚，可以說才剛剛開了個頭，距離高效利用還離得遠呢！

為什麼我們的礦物摻和料研究走在前列？因為需求多

現在，世界各大高校和科研院所都在積極地研究這一重大課題。為啥？首先當然是錢啊！堆積如山的工業廢料每年的處理費，水泥每年的生產費，幾百億美元的市場，哪怕解決個1%也是好大一筆錢，對個人和社會都是巨大的利益。其次也不僅僅是錢。環境的好壞不是金錢能夠衡量的，要是能夠廢物利用、減少污染，功德絕不僅在當代。因此，各國政府也都在支持它的研究。可要說研究最廣、最深，還是在中國，為什麼？

最主要的原因，還是中國的需求最高。現如今，沒有任何一個國家像中國一樣，生產如此之多的水泥，發如此之多的電，產生如此之多的工業廢料。同時也只有中國有如此之多的建設量，可以有能力消耗掉這些工業廢料。此外，中國的環保形勢又格外嚴峻，最有解決這個問題的緊迫感。因此，中國的礦物摻和料研究走在了前列。

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