我們現代幾乎都生活在鋼筋水泥構成的城市森林中，想來對水泥都不陌生，它是一種典型的無機膠凝材料，是我們當今社會應用最廣泛、用量最大的土木建筑材料。水泥起源于18世紀-19世紀的歐洲，當時英國人史密頓、派克、阿斯譜丁等人陸續發現含有黏土的石灰石、天然的泥灰巖等經過高溫煅燒之后的粉末，沾了水之后會變得很硬，而這些高溫煅燒的粉末就是水泥的雛形。當代硅酸鹽水泥是在阿斯譜丁發明的波蘭特水泥基礎上生產的，主要原材料是石灰質CaCO3、黏土質（Al2O3·2SiO2·2H2O）以及其他Mg、Fe、Al等化合物。

清水混凝土建筑 來源：自拍

水泥幾乎是近代最偉大的發明，它的出現改變了傳統以來我們對天然土、木材料的依賴，并塑造了現代土木工程，使建筑得以更高大、使水利工程更持久、使道路更耐用。但它的生產一般經過研磨－高溫煅燒－研磨的過程（俗稱兩磨一燒），尤其是煅燒過程——比如煤炭或天然氣的燃燒，比如石灰質中碳酸鹽高溫分解，都會產生大量CO２，這是當今引發溫室效應最主要氣體之一。

燃料燃燒：C + O2→ CO2， CH4 + O2 → CO2 + H2O

碳酸鹽分解：CaCO3→ CaO + CO2，MgCO3 → MgO + CO2

水泥廠圖：網絡

據統計，在全球范圍內，水泥工業約占溫室氣體總排放量的8%，是地球上碳足跡最大的行業之一；每生產1噸波蘭特水泥，CO2排放量為0.5-0.7噸，2020年我國的水泥生產與消費占據全球市場的50%左右，碳排放占全國總排放量的13%。因此水泥減碳是完成“碳中和碳達峰”目標的最關鍵的領域之一。二十大前后，各部委密集出臺了碳達峰的各項實施方案：《“十四五”工業綠色發展規劃》、《工業領域碳達峰實施方案》、《建材行業碳達峰實施方案》、《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022-2030年）》等文件，均明確要求強化工業固廢綜合利用，提出針對鋼鐵、水泥、化工等重點行業綠色低碳發展需求。提出“新型膠凝材料”、“全固廢免燒膠凝材料”、“全固廢膠凝材料”等研發和推廣。

那什么是固廢膠凝材料？

答案是：以大宗固廢為主要原材料，通過均化和激發活性，制備的膠凝材料。

學者們在開始研究礦渣和粉煤灰等固廢時，發現其與水泥成份相似，而且具有一定火山灰活性，可以摻雜到水泥做為活性摻合料使用；并且隨著各種活化和激發手段的開發，一方面水泥中摻合料的摻量越來越大而水泥熟料越來越少，從水泥、高品質摻合料變成低熟料水泥、全固廢水泥（或者叫固廢基膠凝材料）……另一方面，可利用的固廢類型也越來越多，比如赤泥、鋼渣、堿渣、鋰渣、煤矸石、焚燒飛灰、石膏、尾礦微粉等都被證明可以用于制備固廢基膠凝材料。這些固廢不需要像水泥一樣高溫燒結，只需要簡單的配料、粉磨、均化就能替代“水泥”使用。

以鋼渣-礦渣-脫硫石膏體系固廢基膠凝材料為例：

當體系遇到水時，鋼渣類物質水化形成強堿環境，協同石膏反應生成鈣礬石類復鹽，并激發礦渣玻璃體的活性，生成大量的C-S-H（水化硅酸鈣）凝膠和Aft（鈣礬石），以及氫氧化鈣等物質。這些固廢做膠凝材料水化結構和水泥水化微觀結構十分類似，都是纖維、顆粒彼此穿插成的整體，就類似長滿刺的蒼耳互相團在一起。

固廢基膠凝材料微觀形貌，來源文獻和網絡組合

這種基于固廢的膠凝材料具有廣泛的原材料來源、低成本和簡單的生產工藝。相較于傳統水泥，它不需要高溫煅燒，只需簡單的粉磨和適當的組分調配；其性質和應用與傳統水泥類似。未來的房屋建設可能不再依賴高能耗、高污染的水泥，而是轉向使用這些大宗固廢生產的膠凝材料。這樣的轉變不僅能夠降低建筑成本，還能減少對環境的負面影響，實現可持續發展的目標。讓我們共同努力，迎接這一變革，創造更加環保、經濟、可持續的建筑未來！

參考文獻：

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《“十四五”工業綠色發展規劃》、《工業領域碳達峰實施方案》、《建材行業碳達峰實施方案》、《科技支撐碳達峰碳中和實施方案（2022-2030年）》等政策文件

來源: 固廢實驗室