矿渣粉与生态环境

一、回收有价值的产品

高炉矿渣是在高炉中将铁矿石还原为铁的过程中产生的。它由非金属矿物组成，在矿石熔融时从高炉中分离得到的产物。通过将高炉渣加工成矿渣粉或矿渣骨料，可将这些废弃材料充分利用从而避免将其填埋于垃圾场。在混凝土中使用矿渣粉不仅可以减轻垃圾填埋场的负担，而且还可节省大量原材料（硅酸盐水泥），降低高炉冶炼过程中及生产硅酸盐水泥时的空气污染物排放量，并减少在混凝土中生产胶凝材料所需的能源消耗。

二、矿渣粉如何使混凝土更绿色环保？

图1 掺用矿渣粉不仅降低了混凝土的能源消耗、废弃物排放和原材料消耗，还能使混凝土颜色变浅，并使暴露在外界环境的混凝土表面能反射更多的光，从而降低城市热岛效应。

(图片来源：https://www.slagcement.org/)

混凝土是一种天然的绿色材料，具有很好的耐久性能。由于矿渣粉颜色较浅，因而可以用于建造节能建筑系统，减少城市“热岛”效应。矿渣粉的掺入可使混凝土成为一种更加绿色环保的材料。从环境保护的角度来看，在混凝土中掺用矿渣粉的一大好处是它可以大量取代生产混凝土所需的硅酸盐水泥，并且这已经成为了一种常用的主流技术。在结构混凝土或铺装路面混凝土的典型混合料设计中，矿渣粉的掺量通常在在25%至50%之间；在高性能混凝土和大体积混凝土中，矿渣粉的掺量可高达80%。混凝土中大量掺用矿渣粉大大降低了单位体积混凝土中的胶凝材料用量、能源消耗以及污染物的排放.

三、什么是生命周期清单？

生命周期清单(LCI)记录了所有与制造产品相关的材料消耗、能量消耗以及废弃物排放。已有研究针对硅酸盐水泥混凝土、预制混凝土和混凝土砌块进行了全生命周期清单调查1。另一项研究则对掺用矿渣粉部分替代硅酸盐水泥的混凝土进行了全生命周期的记录2。同时，研究人员也对典型的掺粉煤灰混凝土混合料进行了有限的分析1。这些研究的结果清楚地表明了在混凝土混合料中掺用矿渣粉具有巨大的环境优势。

四、降低碳排放

图2 混凝土中掺用矿渣粉可减少温室气体排放。

(图片来源：https://www.slagcement.org/)

二氧化碳被归类为温室气体。在硅酸盐水泥生产过程中，每生产1吨硅酸盐水泥，就几乎会释放出近1吨二氧化碳。自20世纪80年代初以来，水泥行业显著降低了CO2排放量，并继续开发其他减少温室气体排放的方法。其中一种方法便是使用其他材料替代胶凝材料，如在混凝土混合料中掺用矿渣粉以部分替代硅酸盐水泥。图2阐明了在各种混凝土混合料中使用矿渣粉替代50%水泥的环境优势。通过使用50%的矿渣粉替代硅酸盐水泥，每生产1立方码混凝土可减少165至374磅二氧化碳排放，温室气体排放量降低42%至46%。

五、节约能源

图3 混凝土中掺用矿渣粉可降低能源消耗。

(图片来源：https://www.slagcement.org/)

与硅酸盐水泥相比，生产等量矿渣粉所需的能源要低近90%。生产硅酸盐水泥所需的能量占混凝土总能耗的70%或更多，因此通过掺用矿渣粉取代部分硅酸盐水泥，从而减少混凝土中硅酸盐水泥的使用，将会显著降低单位混凝土的能耗。如图3所示，掺入50%的矿渣粉替代水泥可减少370，000至840，000 btus的单位能耗，即每立方码混凝土的实际能耗减少30%到48%。

六、减少原材料消耗

图4 掺用矿渣粉可减少混凝土的原材料消耗。

(图片来源：https://www.slagcement.org/)

生产硅酸盐水泥的原材料是通过采矿作业收集得来的。考虑到废弃物的排放和其他因素造成的质量损失，每生产1吨硅酸盐水泥实际上需要消耗约1.6吨原材料。从图4中可以看出，用50%的矿渣粉代替50%的硅酸盐水泥后，每立方码混凝土可节省281至640磅原始材料消耗，即可减少6%至15%原材料消耗。

七、与粉煤灰混凝土相比有何优势？

用粉煤灰部分取代硅酸盐水泥同样也是实现混凝土绿色环保的方法之一。粉煤灰是一种火山灰质材料，是燃煤电厂煤粉燃烧所产生的副产品。然而，粉煤灰在混凝土中的掺量通常在15%至25%之间，而矿渣粉(水硬性胶凝材料)的掺量则相对较高。有研究者针对粉煤灰替代率为20%，强度等级为3000 psi的预拌混凝土进行了生命周期清单的调查研究。表1展示了35%和50%矿渣粉与20%粉煤灰替代硅酸盐水泥时其能源及原材料消耗和二氧化碳排放量降低的百分比。在该案例中，与粉煤灰相比，掺用矿渣粉可在二氧化碳排放、能源和原材料消耗方面降低1.5倍甚至2倍以上。

表1：强度等级为3000psi的混凝土中掺用矿渣粉及粉煤灰的环境效益对比。

(*掺用矿粉及粉煤灰的混凝土相较于纯硅酸盐水泥体系降低二氧化碳排放、能源及原材料消耗的百分比) (图片来源：https://www.slagcement.org/)

八、矿渣粉较浅的颜色可以改善周边环境

图5 各种胶凝材料的对比。(顺时针方向，从上往下依次为矿渣水泥、硅灰、粉煤灰和硅酸盐水泥)。(图片来源：https://www.slagcement.org/)

如图5所示，相比于硅酸盐水泥或其他胶凝材料，如粉煤灰或硅灰，矿渣粉的颜色更浅。这也使得混凝土产品具有较浅的颜色并具有更高的反射率。浅色混凝土具有以下多种环境效益:

颜色较浅的路面，如停车场和街道，可以提供更明亮的环境、更高的能见度以及更高的安全性。

矿渣水泥混凝土较浅的颜色也有助于减少大城市的热岛效应。由于城市地区的建筑结构及表面吸收热量较为集中，因此它们往往比其邻近的郊区气温更高。颜色较浅的建筑物和路面可以反射更多的光(高反照率表面)。这将有助于最大限度地减少热岛效应，从而减少了人们降温所需的能耗，同时也降低了臭氧水平。

图6 矿渣粉对混凝土反射率的影响。

(图片来源：https://www.slagcement.org/)

图6显示了矿渣粉在不同可见光谱波长下反射率的改善情况。图1展示了用矿渣粉制作的浅色混凝土构件。

九、LEED 认证

能源和环境设计领导者(LEED)是由美国绿色建筑委员会开发的一个用于评价建筑物环境性能的系统。该体系已成为建筑物获得绿色建筑认证的主要方法，主要基于以下五个类别进行评分：

合理的场地规划以减少热岛效应：使用高反射率材料，如用矿渣粉配置而成的混凝土。

合理选材以减少建筑垃圾：矿渣粉可增加混凝土结构的耐久性。

合理选材以促进资源循环利用：矿渣粉是一种用于混凝土的再生材料。.

合理选用当地/区域性材料资源：在许多地区，矿渣粉可被视为本地化材料。

有关LEED系统的更多信息，请访问www.usgbc.org或联系LEED认证的专业人士。

十、联邦政府项目

1996年，环境保护局就已经根据联邦资源保护恢复法认定矿渣粉是一种“回收”产品。在联邦资助的项目中，该分类要求所使用的混凝土中必须指定使用矿渣粉。联邦政府“购买回收”计划作为美国环保署全面采购指南的一个关键组成部分，更多信息请访问www.epa.gov/epaoswer/non-hw/procure/index.htm 网站。

参考文献

1. Nisbet， Marceau and VanGeem， Environmental Life Cycle Inventory of Portland Cement Concrete (SR 2137a)， Portland Cement Association， Skokie， Illinois， 2002.

2. Marceau， M. and VanGeem， M.， Life Cycle Inventory of Slag Cement Concrete， letter report from Construction Technology Laboratories to the Slag Cement Association， Sugar Land， Texas， 2003.

3. ECCO EV 27， LEED Green Building Rating System and Concrete， Environmental Council of Concrete Organizations， Skokie， Ilinois， 2002.