巴斯夫中国

砂子供不应求

 

巴斯夫中国

砂与水混合后,便成为世界上最重要的原料,但我们能够自由使用的这些细小颗粒正在变得逐渐稀缺。科学家们是如何应对这一现状?

砂制品

没有砂子,我们的世界将大不一样,因为砂子几乎无处不在。下面是三个例子:

微芯片:如果没有石英砂,带有微芯片的手机便无法工作。石英里的硅含量极高,可作为生产半导体的原料。

玻璃:含有 70% 以上的石英砂,石英砂在约 1500 摄氏度下熔化产生玻璃。

牙膏:砂子作为微颗粒是化妆品行业的重要原料,可在沐浴露、牙膏和磨砂膏中找到它的身影。砂子起到了机械清洁剂的作用。

 

视频:关于砂子,你所不了解的五件事

毋庸置疑,我们的日常生活建立在砂子之上。你可以在任何地方找到砂子的身影:玻璃、牙膏、发胶,甚至是飞机引擎和微芯片。当然,还有混凝土。联合国环境规划署(UNEP)的一份报告发现,没有任何固体原材料的使用范围能超过砂子和碎石。然而, 这些精细颗粒的供给却越来越紧张。德国柏林工业大学的建筑材料和建筑化学系主任 Dietmar Stephan 教授称:“已经很难找到优质砂子了。”这主要是因为建筑热潮。Stephan 解释道:“在混凝土生产方面,制造 1 公吨水泥需要大约 3 公吨的砂子。” 2014 年,UNEP 曾估计全世界每年有 260 亿至 300 亿吨砂子被倒入水泥搅拌机中。

 

从那时起,这个数字不断上升。新加坡、上海、迪拜等大都市对这种原材料的需求一直在增长。正如我们在迪拜的众多项目中所看到的,这些城市的大型建筑已经消耗了大量砂子。砂子不仅用于建造像哈利法塔这样的巨型摩天大楼,迪拜在波斯湾的人工岛朱美拉棕榈岛的地基也是由这些细粒大量堆积而成。据媒体报道,当时从澳大利亚运送的砂量超过 1.5 亿吨。

每年全世界约有 300 亿公吨的砂子被倒入水泥搅拌机,这个数量还将会增加。

沙漠国依赖砂子进口

然而周围沙漠里的沙子却并不能利用。巴斯夫建筑解决方案的产品管理负责人 Oliver Mazanec 解释说:“沙漠里的沙子根本无法用作楼宇建筑原料。”风将沙吹走,沙粒变得小而光滑,并且均匀。最后,“沙粒无法啮合,新鲜混凝土中会形成空洞。这会大大增加水泥搅拌时所需的水量,对混凝土强度产生不利影响。”

 

用于建筑工程的原料需要极其粗糙的边缘,但这种类型的砂子仅可在采石场、河床和海洋中找到,这会对环境造成负面影响。据联合国环境署估计,未来四分之三的沙滩可能会消失。这是由于人们直接在沙滩上开采沙子,通常来说,这是一种违法行为。把海床里的沙子抽走后,沙滩会变得松弛湿滑。例如,印度尼西亚所有岛屿都已成为这一现象的受害者。同时,海浪的庞大力量也不可避免地带走了沙子。内陆地区也同样面临这样的短缺现象,容易开采的高硅石英砂储备量也在正慢慢枯竭。

负担得起的砂子数量正在急剧减少。

 
Dietmar Stephan 教授
德国柏林工业大学的建筑材料和建筑化学系主任

沙漠中有一望无际的沙子,但无法用于建筑。

混凝土在建筑中起着重要作用,而砂子则是其主要成分。

未来的建筑材料:可循环利用的混凝土由建筑碎石制成,这意味着宝贵的砂子不再是建筑材料的必需品。

寻找替代品

这一短缺现象使得砂子成为科学研究的热门话题,我们正努力寻找更好地利用砂子的方法。2016 年起,巴斯夫开发的一种工艺开始得到了应用,该工艺将以往不适合制作高质量混凝土的砂子转化为有价值的原材料。

 

这种工艺使用了粘土砂或含大量超细添加剂的砂子,例如云母。由于粘土和云母的表面积大,且拥有部分可膨胀的结构,它们能够吸收大量水分,以及混凝土搅拌所需的超强增塑剂。但这会产生不必要的后果:混凝土无法被加工。Mazanec 解释道:“巴斯夫的 MasterSuna 阻沙剂改善了上述砂子的性能,确保了水和超强增塑剂不会被砂子吸收,进而使混凝土最大程度地液化。”以前不适合被使用的砂子现在都能被利用了,人们也可以对现有储量进行更密集的开采。这种新型的外加剂目前在法国、西班牙、德国、英国和澳大利亚都有售,这些国家尤其受到被粘土污染的砂子的影响。

 

此外,世界各地的实验室也正研究如何开采丰富优良的沙漠里的沙子。例如,其中一个想法是添加粉煤灰,因此在混凝土搅拌过程中水泥能更有效地粘附在精细研磨的砂粒上。另一个想法则是使用塑料而不是水泥作为粘合剂,例如原油中的聚酯树脂。“添加粉煤灰基本上能够解决这一问题,但却不能大规模运用,或者不是一个一劳永逸的办法。这是因为它涉及煤炭燃烧,而这一发电方式在未来将会被慢慢淘汰。”建材专家 Stephan 解释道。

 

比沙漠里的沙子更有前景的解决方案是使用已用过的混凝土。如果建筑碎石没有受到污染,它可以通过分离、粉碎和细磨对其进行相对有效的再循环利用。这种矿物碎石砂需含有至少 25% 的混凝土,才能贴上“循环利用混凝土”的标签。迄今为止,它主要用于道路子层。而在房屋建造方面仍然是个例外。Stephan 表示:“这在技术上是可行的,但能否成功使用取决于价格。”尽管各地区价格波动较大,但总体来说都比较高。而且,碎石砂与从未使用过的砂子的颗粒大小不同,这增大了加工难度。据建筑材料专家介绍,新建筑物中,碎石砂占混凝土的比例不到1%。“不过,负担得起的砂子数量正在急剧减少,未来某个时候,回收所需的费用可能会低于原材料成本。此外,更多的研究也会加速这一进程。” Stephan 说。

 

瑞士和荷兰已经在重新思考这一问题,这两个国家被认为是循环利用混凝土的先驱。例如,如果没有回收建筑材料,苏黎世不得再建造新的公共建筑。Stephan 相信:“循环利用混凝土是未来的建筑材料之一。”

尺寸大小很重要

砂子和砾石是世界上最重要的资源,而直径大小则是区分它们的关键因素之一。

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63—2 毫米

  • 砂砾是一种聚集在河流或溪流中的圆形小石块。与砂子一样都是建筑业最重要的原材料之一,两者都可用于制作混凝土。

2—0.063 毫米

  • 大部分砂子并不是由海洋中被碾碎的贝壳产生,更为常见的是由经过数千年风化和侵蚀的岩石形成,并通过河流输送至海洋。砂子主要由硅和氧的混合物石英组成,石英在砂中的占比较大,是由于其在地球上十分常见,尤其是在地壳中。此外,石英比钢铁的硬度还高,非常耐用且抗侵蚀。

0.063—0.002 毫米

  • 泥沙的颗粒大小介于砂子和粘土之间,在自然界中很难找到纯泥沙。多数情况下,它会与砂子或粘土混合在一起,我们称其为泥巴。