材料百态

使用电力驱动的熔炉来生产钢铁已是成熟的技术，如果将废旧水泥作为钢材生产的一部分，就能实现废水泥再利用，若用可再生能源提供动力的电弧炉来加热，那么我们就能得到零排放的水泥。

近日，英国剑桥大学研究人员从传统的炼铁炉获得灵感，在世界上首次证明水泥可循环利用，而不会像以前生产合成水泥给环境带来危害。相关研究成果日前在国际科技期刊《自然》发表。

混凝土是使用量很大的材料，它的主要成分除了沙子、砾石外，还有充当黏合剂的水泥。石灰石和其他原材料被粉碎，并在大型窑炉中加热至约1450℃，这一过程将原材料转化为水泥。

在加热生产生石灰的过程中，石灰石会释放大量二氧化碳，约占人为排放总量7.5%。过去10年来，科学家们一直在研究混凝土中的水泥替代品，发现混凝土中大约一半的水泥可以用粉煤灰等材料替代，但完全不用水泥是不现实的。如何采用经济有效的方法来减少混凝土带来的碳排放，是世界上最大的减碳挑战之一。

高炉炼铁过程中，为降低冶炼温度，还要加适当数量的石灰石和白云石作为助熔剂。这些石灰石和白云石在高炉内分解为氧化钙、氧化镁、铁矿石等物质，与焦炭中的灰粉相熔化，生成以硅酸盐与硅铝酸盐为主要成分的熔融物，浮在铁水表面，定期从排渣口排出，再经空气或水冷却处理形成粒状颗粒物，这就是矿渣。钢铁厂冶炼生铁时产生的废渣含有大量的玻璃体和硅酸二钙、钙黄长石、硅灰石等矿物，与水泥成分接近。

未经水淬的矿渣，其矿物形态呈稳定形的结晶体，大部分不具有活性，如经水淬急冷，形成了玻璃态结构，就使矿渣处于不稳定的状态，因而具有较大的潜在化学能。出渣温度愈高，冷却速度愈快，则玻璃化矿渣的潜在化学能程度愈大，活性也愈高。因此，经水淬急冷的高炉矿渣的潜在活性较好，每生产1吨生铁要排出0.3—1吨矿渣。

炉渣处理是高炉炼铁正常运行的保证，高质量的炉渣可作为水泥的优质原料，既可降低成本提高经济效益，又有利于大宗固废利用，发展循环经济，保护环境。

英国剑桥大学研究人员对现有的钢铁生产工艺进行调整，发现废旧水泥的化学成分与石灰石相似，如果用废旧水泥代替石灰石加入炼铁炉中，产生的炉渣可以制作新的水泥。如此一来，水泥可以回收利用，不仅不用生产那么多新水泥，还能减少二氧化碳的污染。
随后在生产中，研究人员验证了这一思路，在世界上首次实现在电弧炉中大规模生产再生水泥。该方法避免了加热石灰石导致的二氧化碳过度排放，最终可以制造零排放水泥。预计到2050年，这项工艺的应用可以减少数十亿吨的碳排放。

（作者系安徽省科普作家协会会员）

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