我们现代几乎都生活在钢筋水泥构成的城市森林中，想来对水泥都不陌生，它是一种典型的无机胶凝材料，是我们当今社会应用最广泛、用量最大的土木建筑材料。水泥起源于18世纪-19世纪的欧洲，当时英国人史密顿、派克、阿斯谱丁等人陆续发现含有黏土的石灰石、天然的泥灰岩等经过高温煅烧之后的粉末，沾了水之后会变得很硬，而这些高温煅烧的粉末就是水泥的雏形。当代硅酸盐水泥是在阿斯谱丁发明的波兰特水泥基础上生产的，主要原材料是石灰质CaCO3、黏土质（Al2O3·2SiO2·2H2O）以及其他Mg、Fe、Al等化合物。

清水混凝土建筑 来源：自拍

水泥几乎是近代最伟大的发明，它的出现改变了传统以来我们对天然土、木材料的依赖，并塑造了现代土木工程，使建筑得以更高大、使水利工程更持久、使道路更耐用。但它的生产一般经过研磨－高温煅烧－研磨的过程（俗称两磨一烧），尤其是煅烧过程——比如煤炭或天然气的燃烧，比如石灰质中碳酸盐高温分解，都会产生大量CO２，这是当今引发温室效应最主要气体之一。

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

碳酸盐分解：CaCO3→ CaO + CO2，MgCO3 → MgO + CO2

水泥厂图：网络

据统计，在全球范围内，水泥工业约占温室气体总排放量的8%，是地球上碳足迹最大的行业之一；每生产1吨波兰特水泥，CO2排放量为0.5-0.7吨，2020年我国的水泥生产与消费占据全球市场的50%左右，碳排放占全国总排放量的13%。因此水泥减碳是完成“碳中和碳达峰”目标的最关键的领域之一。二十大前后，各部委密集出台了碳达峰的各项实施方案：《“十四五”工业绿色发展规划》、《工业领域碳达峰实施方案》、《建材行业碳达峰实施方案》、《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》等文件，均明确要求强化工业固废综合利用，提出针对钢铁、水泥、化工等重点行业绿色低碳发展需求。提出“新型胶凝材料”、“全固废免烧胶凝材料”、“全固废胶凝材料”等研发和推广。

那什么是固废胶凝材料？

答案是：以大宗固废为主要原材料，通过均化和激发活性，制备的胶凝材料。

学者们在开始研究矿渣和粉煤灰等固废时，发现其与水泥成份相似，而且具有一定火山灰活性，可以掺杂到水泥做为活性掺合料使用；并且随着各种活化和激发手段的开发，一方面水泥中掺合料的掺量越来越大而水泥熟料越来越少，从水泥、高品质掺合料变成低熟料水泥、全固废水泥（或者叫固废基胶凝材料）……另一方面，可利用的固废类型也越来越多，比如赤泥、钢渣、碱渣、锂渣、煤矸石、焚烧飞灰、石膏、尾矿微粉等都被证明可以用于制备固废基胶凝材料。这些固废不需要像水泥一样高温烧结，只需要简单的配料、粉磨、均化就能替代“水泥”使用。

以钢渣-矿渣-脱硫石膏体系固废基胶凝材料为例：

当体系遇到水时，钢渣类物质水化形成强碱环境，协同石膏反应生成钙矾石类复盐，并激发矿渣玻璃体的活性，生成大量的C-S-H（水化硅酸钙）凝胶和Aft（钙矾石），以及氢氧化钙等物质。这些固废做胶凝材料水化结构和水泥水化微观结构十分类似，都是纤维、颗粒彼此穿插成的整体，就类似长满刺的苍耳互相团在一起。

固废基胶凝材料微观形貌，来源文献和网络组合

这种基于固废的胶凝材料具有广泛的原材料来源、低成本和简单的生产工艺。相较于传统水泥，它不需要高温煅烧，只需简单的粉磨和适当的组分调配；其性质和应用与传统水泥类似。未来的房屋建设可能不再依赖高能耗、高污染的水泥，而是转向使用这些大宗固废生产的胶凝材料。这样的转变不仅能够降低建筑成本，还能减少对环境的负面影响，实现可持续发展的目标。让我们共同努力，迎接这一变革，创造更加环保、经济、可持续的建筑未来！

参考文献：

朱哲,王胜杰,刘帅,等.水泥行业碳达峰碳中和标准体系建设研究[J].水泥,2024,(02): 17-19.DOI:10.13739/j.cnki.cn11-1899/tq.2024.02.005.

聂松,周健,徐名凤,李辉.低碳胶凝材料的研究进展[J].材料导报,2024,38(02):60-68.

杨君健,兰明章,王剑锋,裴天蕊,倪亚玲.多元固废基胶凝材料水化性能研究[J].新型建筑材料,2022,49(10):107-113.

《“十四五”工业绿色发展规划》、《工业领域碳达峰实施方案》、《建材行业碳达峰实施方案》、《科技支撑碳达峰碳中和实施方案（2022-2030年）》等政策文件

来源: 固废实验室