工程师们开发了一种将水泥废料回收为可持续、低碳替代品的方法，其性能可与行业标准相媲美。
在拆除后为建筑材料赋予第二次生命，圣保罗大学和普林斯顿大学的工程师们开发了一种将水泥废料回收为可持续、低碳替代品的方法，其性能可与行业标准相媲美。
除了降低水泥和混凝土行业的碳强度，这一过程还可能为建筑和拆除废料开启新的用途，而混凝土是其重要组成部分。在2018年，美国的建筑和拆除废料总量是家庭废料的两倍以上。
“建筑废料通常最终被送往垃圾填埋场，或者如果回收，通常用于低等级的应用，例如在人行道或土壤中，”研究负责人、圣保罗大学土木和城市建设工程教授 Sérgio Angulo 说。“令人兴奋的是，我们可以证明，实际上我们可以将回收的水泥废料回收为高质量的应用。”
在他们发表在ACS Sustainable Chemistry & Engineering的论文中，研究人员证明含有高达80%回收水泥的混合物，其强度与单独的传统波特兰水泥一样，同时产生的碳排放量却只有一小部分。波特兰水泥是用于生产混凝土的最常用粘合剂，但其高碳强度是导致水泥和混凝土行业负责编制全球约8%排放的主要原因。
如果能够全面实现，并与其他取代水泥的新兴技术协同部署，研究人员估计水泥行业的排放量最高可减少61%。这一估计的减少远超全球水泥和混凝土协会预测的所谓熟料替代方法可能实现的9%排放量减少。
“此处的进步是，现在你可以通过一种主要由回收材料组成的低碳替代品获得与单独的波特兰水泥基本相同的短期和长期性能，”共同作者、土木与环境工程教授、安德林格能源与环境中心的 Claire White 说。
回收水泥单独（左），普通波特兰水泥（中），以及研究人员优化的回收水泥与细磨波特兰水泥的混合物（右），加水前。优化的水泥混合物显示出与普通波特兰水泥相似的水需求、强度增长和可加工性，同时产生的碳排放量仅为其一小部分。（图由第一作者 Mateus Zanovello 提供，他是与 Angulo 一起工作的圣保罗大学博士生）。
实现循环水泥
该回收方法的核心是热量。
研究人员在将混凝土粉碎或破碎成细粉后 — 他们估计每年生产的五千亿吨混凝土废料中，大约一千亿吨的这种粉末可以被行业回收 — 团队将其加热至500 °C。这个温度足以使水泥粉末脱水并恢复作为粘合剂的性质，但足够低以防止材料中碳酸盐成分的分解，从而导致额外的二氧化碳排放。
虽然这种“热激活”的水泥可以单独用于制备混凝土，研究人员发现其在混合过程中的高表面积和水需求导致最终材料具有高孔隙率和降低的强度。但通过将回收水泥与少量细磨波特兰水泥或石灰石相结合，得到的水泥粘合剂表现出与行业标准相当的强度增长和可加工性。
强度的增加是因为细磨的波特兰水泥或石灰石采用了非水的材料填充回收水泥的孔隙，减少了整体水需求，甚至在混合过程后形成被称为水合产物的新产品，增加了材料的强度。
“之前，如果你只使用热激活的回收水泥，它的性能不足以成为可以接受的替代品，”White说。“但通过降低表面积并优化材料微观结构中的颗粒堆积，我们得到了与波特兰水泥相当的性能。”
回收水泥单独（左），普通波特兰水泥（中），以及研究人员优化的回收水泥和细磨波特兰水泥的混合物（右），加水后。（图由 Mateus Zanovello 提供）。
由于该过程重新利用建筑废料，研究人员表示该过程可以使世界朝着更可循环的碳经济迈进，同时产生的碳排放量低于其他新兴的低碳水泥替代品。比如，在论文中，团队估计他们的水泥每公吨排放198至320公斤二氧化碳，比一种被称为石灰石钙化粘土水泥（LC3）的商业可用低碳替代品减少了多达40%的排放。
“通过这项技术，你可以想象城市将变得比今天更循环，”Angulo说。“拆除基础设施中的材料可以直接用于新的建筑项目。”
尽管有这些好处，Angulo和White指出该技术广泛部署面临多重技术、经济和政策障碍。
例如，他们解释说，规模化回收水泥需要一种更好的拆除废料分类和处理的方法，而不是简单地考虑填埋。该技术在成熟城市中最为实用，这里有稳定的老旧建筑库存，而不是主要有新建筑的快速发展地区。
最后，随着波特兰水泥成为混凝土生产的主要粘合剂，开发的建筑规范需要更新，从“配方基础”的标准（规定特定水泥成分）转向更加关注性能的标准。Angulo表示，欧洲和拉丁美洲多个国家已经开始采用此类基于性能的标准，这不仅可能允许使用他所研究的回收水泥，还可能使用广泛的低碳替代品。
“在巴西，我们已经开始为非结构性建筑外壳和地板实施基于性能的标准，”Angulo说。“更新建筑规范对允许建筑行业的创新至关重要。”
奠定持续合作的基础
对回收水泥的研究是Angulo在2023年作为访问研究员来到普林斯顿White小组时形成的合作成果。
两位研究人员均表示，这一合作 — 即使在Angulo返回巴西后仍在持续 — 解锁了新的研究能力和视角，改善了他们各自团队的工作。
对Angulo而言，借助White在表征技术（如全X射线散射）方面的专业知识，帮助他更好地理解他所研究材料背后的驱动机制。例如，White和Angulo在Angulo访问期间进行的实验，将帮助他们更好地理解材料在经历热激活过程中的原子结构变化。这将帮助他们解答有关回收水泥在多次使用周期中的耐久性以及其是否确实是“循环”材料的问题。
对White而言，这一合作使她能够研究一种此前从未研究过的水泥类型，尽管她在低碳混凝土方面有广泛的背景。即使超出回收水泥项目，White表示，Angulo的访问为她的团队在许多项目上提供了全新的视角，即使那些看似与回收水泥毫不相干的项目也是如此。
“这次合作双方都受益。”White表示。“Sergio带来了他的领域知识，我的团队带来了我们在先进表征技术方面的专业知识，结合在一起，我们能够解决一些关于这一材料的最大挑战。”
