21世紀(jì)，隨著霧霾等空氣污染逐漸被越來(lái)越多的人直觀地感受到，人們對(duì)于環(huán)境保護(hù)的課題也越來(lái)越重視了。而提起水泥這樣的建筑材料，首先映入我們腦海的詞匯一定是“高污染”、“高耗能”、“落后產(chǎn)能”這些不好的詞。

  建筑材料確實(shí)一度是污染大戶

  的確，建筑材料曾經(jīng)是一種污染非常嚴(yán)重的工業(yè)產(chǎn)品?；炷潦侨祟愖畲笞诘慕ㄖ牧?，而水泥是混凝土性能的核心。每生產(chǎn)一噸水泥，會(huì)消耗1.3噸石灰石、200公斤煤、80度電，同時(shí)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。而由于中國(guó)的快速建設(shè)，到2016年，中國(guó)全年水泥生產(chǎn)量達(dá)到了24億噸，達(dá)到了世界總產(chǎn)量的60%。

  除了水泥外，混凝土的生產(chǎn)還需要大量的砂子和石子。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，中國(guó)每年消耗的天然砂石骨料高達(dá)數(shù)十億噸。幾十年來(lái)，開(kāi)山取石破壞了大量的山體和植被，造成水土流失和地質(zhì)不穩(wěn)定，大量挖取河砂也嚴(yán)重破壞了河流的生態(tài)系統(tǒng)。

  就是這樣高耗能、高污染的建筑材料，是如何變身成為環(huán)保材料的呢？這要從工業(yè)廢料開(kāi)始說(shuō)起。

  令人頭疼的工業(yè)廢料

  火力發(fā)電廠燃煤發(fā)電，會(huì)排放出大量的煙塵。但這些煙塵并不會(huì)被直接排放進(jìn)空氣中，而是會(huì)在加裝了尾氣處理裝置的煙囪中被捕捉出來(lái)，收集在一起。這種細(xì)灰叫做粉煤灰。過(guò)去，這些粉煤灰雖然被收集了起來(lái)，不再污染大氣；但是無(wú)從處理，長(zhǎng)期堆放在那里污染水和土壤。

  鋼鐵的冶煉同樣也會(huì)產(chǎn)生大量的廢棄物。在鋼鐵煉出的同時(shí)，煤和鐵礦石中的雜質(zhì)成分互相結(jié)合，形成高爐礦渣和鋼渣，面臨著與粉煤灰同樣的境遇，無(wú)從處理，長(zhǎng)期堆放。

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

  工業(yè)廢料的新妙用從“偷工減料”開(kāi)始

  幾十年前，有人覺(jué)得水泥的價(jià)格太貴了，而粉煤灰這種東西長(zhǎng)得跟水泥差不多。往水泥里面摻一點(diǎn)粉煤灰，哪怕稍微降低一些強(qiáng)度，但好歹可以降低一點(diǎn)成本。于是，抱著這種“偷工減料”的心態(tài)，礦物摻和料被引入了水泥。

  這下發(fā)電廠的老板可樂(lè)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(fā)現(xiàn)，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(duì)強(qiáng)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。

  研究之后才發(fā)現(xiàn)，“偷工減料”竟然偷對(duì)了？

  隨著工程應(yīng)用的逐漸增加，人們逐漸發(fā)現(xiàn)，向水泥中摻加這些礦物摻和料不僅沒(méi)有害，反而好像還有益。比如摻加了粉煤灰之后，混凝土雖然早期強(qiáng)度比較低，但是隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，強(qiáng)度居然越來(lái)越高，甚至比純水泥的混凝土強(qiáng)度還高。并且，摻了粉煤灰之后，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，摻了粉煤灰之后，混凝土硬化的過(guò)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(yè)廢料的混凝土，雖然與粉煤灰并不完全相同，但也各有各的好表現(xiàn)。

  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(lái)要花錢請(qǐng)人處理的堆積如山的粉煤灰，開(kāi)始能賣上價(jià)了。不僅是賣上價(jià)，而且價(jià)格暴漲，很快就漲到了跟水泥價(jià)格差不了多少的程度。各大城市周邊的發(fā)電站產(chǎn)生的粉煤灰都被賣到脫銷了。

  礦渣的運(yùn)氣沒(méi)有粉煤灰那么好，因?yàn)榈V渣的性能并不穩(wěn)定，有的鐵礦石燒出來(lái)的活性高些，有的低些。但總的來(lái)說(shuō)，都是賣得上價(jià)的好貨。

  除了用粉末狀的高活性工業(yè)廢料替代水泥以外，對(duì)于那些低活性的工業(yè)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(xì)骨料。這一方面減小了對(duì)于砂子、石子的開(kāi)采，保護(hù)了山體和河道。另一方面，工業(yè)廢渣做的骨料表面也有微弱的活性，可以與水泥反應(yīng)，并緊密地結(jié)合在一起，很好地改善了混凝土的性能。

  這混凝土里摻了工業(yè)廢料，既提升了性能，又減少了高污染物水泥的生產(chǎn)，又處理了堆積如山的工業(yè)廢料，這豈不是“環(huán)保急先鋒”？

  “廢品”為什么這么好用？

  隨著硅酸鹽材料研究的逐步深入，科學(xué)家們才意識(shí)到，工業(yè)廢料成為寶貝并不是偶然的，其背后蘊(yùn)含著復(fù)雜的機(jī)理。水泥與水反應(yīng)，生成有強(qiáng)度的水泥石，并且將砂子石子粘接在一起的過(guò)程叫做水化。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，這些工業(yè)廢料是有一定化學(xué)活性的，但是它們本身并不能顯示出這種活性。這也就是為什么長(zhǎng)久以來(lái)工業(yè)廢料堆積如山，沒(méi)人發(fā)現(xiàn)它們的用途的原因。

  但是，水泥的水化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生對(duì)于強(qiáng)度有害的副產(chǎn)物，而這些副產(chǎn)物恰恰可以激發(fā)工業(yè)廢料的活性，二者共同反應(yīng)形成額外的有強(qiáng)度的水泥石。水泥和工業(yè)廢料之間，是一種“君臣佐使”的關(guān)系。像不同中藥之間相互配合一樣，工業(yè)廢料和水泥之間也在互相幫助。工業(yè)廢料彌補(bǔ)了水泥的缺點(diǎn)，突出了水泥的優(yōu)點(diǎn)，二者共同提供了優(yōu)良的性能。

  廢物再利用，真的如此簡(jiǎn)單？

  廢物利用當(dāng)然并不是永遠(yuǎn)這么簡(jiǎn)單。如果那樣的話，也就不需要科學(xué)家了。事實(shí)上，并不是所有的礦物摻和料都是只要簡(jiǎn)單地加進(jìn)水泥中就可以放心使用了。

  比如，粉煤灰摻進(jìn)水泥里，各方面表現(xiàn)都很好。

  礦渣摻進(jìn)水泥里，平時(shí)還好，可一旦溫度升高，比如在武漢的夏天，它反應(yīng)的速度就會(huì)急劇上升，甚至將結(jié)構(gòu)脹出好多裂縫來(lái)。

  再比如鋼渣，不論怎么磨細(xì)，里面總是有些鐵含量很高的硬顆粒，取又取不出來(lái)，放在里面又影響強(qiáng)度。

  而磷渣有些可以幫上忙，有些則不僅不幫忙，反而破壞強(qiáng)度，讓整個(gè)結(jié)構(gòu)變成一堆廢物……

  總之，人類對(duì)于工業(yè)廢料的利用還很幼稚，可以說(shuō)才剛剛開(kāi)了個(gè)頭，距離高效利用還離得遠(yuǎn)呢！

  為什么我們的礦物摻和料研究走在前列？因?yàn)樾枨蠖?/strong>