全球视野下回收水泥浆料在水泥生产中的循环利用潜力与技术路径分析

本文推荐研究人员针对废弃混凝土中水泥浆料（RCP）回收利用率低、缺乏统一分类标准的问题，开展了RCP处理技术比较与循环利用潜力评估研究。通过实验验证三种处理路线（破碎、研磨、加热）的RCP产率与化学组成，提出基于CaO含量的RCP质量分类新框架，并结合多国数据建立循环潜力指数（CPI）。结果表明，加热法可产出高钙RCP（CaO≈50%），优先用于替代石灰石生产熟料可实现最大CO2减排。该研究为全球水泥行业低碳转型提供了技术路线与政策依据。

　　

随着全球城市化进程加速，每年产生超过30亿吨的建筑与拆除废弃物（CDW），其中混凝土废弃物占比高达60-70%。传统处理方式是将废弃混凝土破碎成再生混凝土骨料（RCA）用于低价值应用（如路基填充），这不仅造成资源浪费，更意味着水泥浆料中蕴含的钙质成分（占混凝土成本40-60%和碳排放80-90%）未被有效提取。这种"降级回收"模式无法满足碳中和目标下建材行业对资源循环的迫切需求。

在此背景下，剑桥大学工程系的研究团队在《Resources, Conservation and Recycling》发表了突破性研究，系统评估了通过水泥浆料回收（Recovered Cement Paste, RCP）实现混凝土高效循环的技术路径与全球潜力。研究团队通过对比三种RCP生产工艺（简单破碎、机械研磨、热活化研磨），首次建立了基于CaO含量的RCP质量分类体系，并结合12个国家面板数据提出了衡量水泥循环潜力的新指标——循环潜力指数（CPI）。研究表明，采用热活化法可生产CaO含量达50%的高品质RCP，用于替代水泥生料中的石灰石可实现最大碳减排效益。该研究为全球不同发展阶段国家制定了差异化混凝土循环战略，证明水泥可成为真正可循环材料。

研究采用多学科交叉方法：首先通过实验力学处理分析（X射线荧光光谱技术测定化学成分）对比三种RCP生产工艺的产率与品质；其次建立质量调整替代模型，计算RCP在水泥生料替代（EAF/窑炉）和水泥混合材（CEM-II）中的应用潜力；最后基于世界银行GDP数据与各国水泥生产统计，构建循环潜力指数（CPI）评估体系。所有实验样品均来自伦敦CDW回收厂的实地采样，确保数据真实代表性。

3. Experimental program and results of waste concrete processing

通过对比三种处理路线发现：简单破碎法RCP产率最低（<5%）且钙含量最低（CaO≈20%）；机械研磨法产率提升至8-15%，CaO含量达20-30%；热活化研磨法（500°C加热后研磨）产率最高达15%，CaO含量接近纯水泥水平（50%）。热活化法同时产出优质再生骨料，其吸水率显著低于传统RCA。

4. Methodology and critical parameters of RCP for use in cement production

建立质量调整替代模型表明：RCP作为水泥生料使用时，钙含量决定石灰石替代率（最高28%），二氧化硅含量限制替代上限；作为水泥混合材时，碳化RCP的CO₂封存能力与钙含量正相关（加热法RCP可达22%质量分数）。全生命周期碳排放分析显示，尽管热活化法能耗较高，但其替代石灰石的碳减排效益最显著（每吨RCP可减排0.4吨CO₂）。

5. Country-level analysis of supply and demand of RCP for cement production

基于12国数据分析发现：发达国家（英、美、德）CPI达40-60%，高CDW生成量与稳定水泥需求使RCP可满足大部分石灰石需求；新兴国家（中、印）CPI仅10-15%，快速增长的水泥需求超出RCP供应能力；过渡期国家（波兰、韩国）因基础设施建设高峰出现CPI暂时下降。研究首次揭示CPI与国家财富（GDP/ capita）和时间维度存在强相关性。

6. Discussion

提出RCP四类质量分级：Ⅰ类（CaO>45%）优先用于熟料生产，Ⅱ类（CaO 30-45%）适用于碳化水泥混合材，Ⅲ类（CaO 20-30%）作为水泥填料，Ⅳ类（CaO<20%）用于土壤固化。研究预测中国在2060年、印度在2070年将进入高CPI阶段，为全球水泥行业低碳转型提供时间路线图。

该研究突破性地证明水泥材料可实现近全循环利用：通过优化RCP生产工艺，不仅可产出高价值再生骨料，更能将废弃混凝土转化为 decarbonized calcium source（脱钙源）。提出的CPI指数为各国制定混凝土循环战略提供量化工具，而RCP质量分类体系填补了EN 197-6:2023标准的技术空白。研究显示若全面采用热活化法处理混凝土废弃物，全球水泥行业可减少28%的石灰石开采需求，对实现建材领域碳中和目标具有里程碑意义。