綠色革命：回收水泥打造低碳建築新未來

在建築廢棄物中尋找新生命，聖保羅大學與普林斯頓大學的工程師們開發出一種創新方法，將廢棄水泥回收再利用，製成可持續且低碳的替代品，其效能與業界標準相媲美。這項技術不僅能降低水泥和混凝土產業的碳強度，還為建築和拆除廢棄物開闢了新的應用途徑。根據2018年的資料，美國的建築和拆除廢棄物總量是家庭廢棄物的兩倍以上。

「建築廢棄物通常最終會被填埋，或者如果被回收，也只會用於低階應用，例如鋪路或土壤改良，」聖保羅大學土木與城市建設工程教授、研究負責人Sérgio Angulo表示。「我們的研究顯示，事實上，我們可以將這些回收的水泥廢棄物轉化為高品質的應用，這令人振奮。」

在發表於《ACS可持續化學工程》的論文《工程混合熱活化回收水泥：反應性、水需求、強度-孔隙率和二氧化碳排放研究》中，研究人員證明，含有高達80%回收水泥的混合物，其強度與傳統的波特蘭水泥相當，但碳排放量卻大幅減少。波特蘭水泥是製造混凝土最常用的黏合劑，但其高碳強度是水泥和混凝土產業佔全球排放量約8%的主要原因。

研究人員估計，如果這項技術能完全實現並與其他替代水泥的新興技術協調部署，水泥產業的排放量最多可減少61%。這一估計遠遠超過全球水泥與混凝土協會所預測的，透過所謂的熟料替代方法可能實現的9%排放削減。

「這項技術的突破在於，你現在可以獲得與波特蘭水泥本身幾乎相同的短期和長期效能，而這種低碳替代品主要由回收材料組成，」共同作者、土木與環境工程教授兼Andlinger能源與環境中心主任Claire White表示。

這項回收技術的核心是熱能。在將混凝土粉碎或碾壓成細粉後，研究團隊將其加熱至500°C。這個溫度足以使水泥粉脫水並恢復其作為黏合劑的特性，但又足夠低，以防止材料中的碳酸鹽成分分解，從而避免額外的二氧化碳排放。

雖然這種「熱活化」水泥可以單獨用於製造混凝土，但研究人員發現，其在混合過程中的高表面積和水需求導致最終材料具有高孔隙率和降低的強度。然而，透過將回收水泥與少量細磨的波特蘭水泥或石灰石結合，所得的黏合劑表現出與業界標準相當的強度和可加工性。

「以前，如果只使用熱活化回收水泥，其效能不足以成為可接受的替代品，」White表示。「但透過降低表面積並最佳化材料微結構中的顆粒堆積，我們獲得了與波特蘭水泥相當的表現。」

研究人員表示，由於這項技術重新利用了建築廢棄物，它可以使世界朝著更迴圈的碳經濟邁進，同時比其他新興的低碳水泥替代品產生更少的碳排放。例如，在論文中，團隊估計他們的水泥每公噸排放198至320公斤的二氧化碳，比市面上已知的低碳替代品石灰石煅燒黏土水泥（LC³）少排放40%。

「有了這項技術，你可以想像城市變得比今天更加迴圈，」Angulo表示。「拆除基礎設施的材料可以直接用於新的建築專案。」

儘管有這些好處，Angulo和White也指出了這項技術大規模部署所面臨的技術、經濟和政策障礙。例如，他們解釋說，擴大回收水泥的規模需要一種更好的分類和處理拆除廢棄物的方法，這種方法應考慮迴圈性而非填埋。這項技術在建築存量老化的成熟城市中最為實用，而不是在主要建設新建築的快速發展地區。

最後，當波特蘭水泥是混凝土生產的主要黏合劑時制定的建築法規需要更新，從指定某些水泥成分的「配方式」標準轉向專注於效能要求的標準。Angulo表示，歐洲和拉丁美洲的幾個國家已經開始採用這種基於效能的標準，這不僅允許使用他研究的回收水泥，還允許使用多種低碳替代品。

「在巴西，我們已經開始實施非結構性建築外牆和地板的基於效能的標準，」Angulo表示。「更新建築法規對於允許建築行業的創新至關重要。」

這項回收水泥的研究源自Angulo在2023年作為訪問研究員加入White的研究團隊時的合作。兩位研究人員表示，即使在Angulo返回巴西後，這項合作仍在繼續，並為他們的研究工作帶來了新的能力和視角。

「這次合作在兩個方向上都帶來了益處，」White表示。「Sergio帶來了他的領域知識，我的團隊帶來了我們在先進表徵技術方面的專業知識，我們一起能夠解決關於這種材料的一些最大挑戰。」

除了Angulo和White，共同作者還包括聖保羅大學的Mateus Zanovello和Vanderley M. John。這項工作是國家高階生態高效水泥基技術研究所專案的一部分。