沙子是除了水以外全世界消耗最多的原材料，广泛用于制造玻璃、混凝土、沥青、甚至硅微芯片。可以说看似平平无奇的沙子所生产的产品是人类生活必不可少的产品。单就玻璃来说便改变了人们的生活，从微观上看也许仅仅产生了镜子、显微镜、望远镜、各类容器等微观应用，从底层逻辑来说确实开启了人类历史上对自己的一场认知革命，进而推动了科学与工业革命的发展。

恐怖的沙消耗量

全球仅建筑业每年便消耗高达500亿吨沙子，而随着新冠疫苗的分发，预计未来两年全球将需要20亿支玻璃药瓶（而且是中硼硅玻璃，热稳定性与化学稳定性好），这将使沙子的需求进一步激增。

即将出现的短缺，可能阻碍从智能手机生产到建造写字楼等各行各业。它还可能影响用于存放新冠疫苗的数十亿支玻璃瓶的生产。此外人类要实现60年前的碳排放平衡其中最重要的措施便是发展光伏发电产业，而光伏发电消耗最多的材料便是太阳能电池板也就是钢化玻璃等沙子原材料的产物。不仅如此目前全世界平均城市化率仅有50％，中国所有城市都还在搞大基建，使用量相当之大。

在过去10年的大部分时间里，建筑开发以及对智能手机和其他使用屏幕的个性化技术设备的需求，导致沙子、砾石和碎石出现短缺现象。

据联合国环境规划署统计，仅建筑业每年就要消耗400亿-500亿吨沙子，其中70％的沙子消耗在亚洲，仅仅我国在2011年至2013年沙子使用量便超过美国20世纪100年消耗总量。而如今比20年前增长了200%。2019年《自然》杂志便明确表示地球上的沙子即将不够用了。

联合国全球资源信息数据库（GRID）全球沙土观测计划说：“由于城市化、人口增长和基础设施发展趋势，需求还在增长，这一趋势预计将持续下去。

沙子为什么这么缺乏?

有朋友可能会问了，沙漠占陆地面积三分之一，怎么还会缺沙呢？具体原因有以下：

①过于细小光滑，由于沙漠里的沙子在风力的侵蚀下互相摩擦致使其表面非常光滑圆润且细。这便导致其吸水性与固定性都很差，如若用来混凝土建筑房屋其质量堪忧不能达到各国建筑行业标准。

②盐碱性与有害物质，降水少、日照长也导致其盐碱的特性，用作混凝土可能会跟其他材料发生化学反应。沙子表面经长期风化也会附着不少有害物质。

③开采成本高，众所周知沙漠环境是非常严酷的，在此地作业需要投入大量人工，还得耗费不少成本将其运输出去，性价比低。

所以综合来看沙漠中沙子用作混凝土对建筑质量、居住人员健康、开采成本都是不利的。而开采最多的还属河沙了。

河沙开采

综上所述，由于沙漠中的沙有种种缺点，目前大多采沙作业来源都集中在河流、海岸线与河床等脆弱的环境中。河沙经过水流长时间冲刷外表较为洁净且开采成本低，但河沙十分稀缺对环境影响也较大，因此世界各国均不愿在自己国境内开采。目前的开采活动主要集中在印度（众所周知印度的恒河水质与脆弱的生态环境已不堪重负）。看看印度就知道，在全球的此类开采活动已然给生态系统造成了严重损害，并且在可预见的未来人们对沙的需求将持续增长，远远超过自然补充的速度，生态环境的可持续性发展堪忧。

因此寻找一种能代替沙的原材料便迫在眉睫，目前专家们已经将焦点放在农业废弃物、火山灰、粉煤灰、钢渣等几种品类上。而要确定代替河沙的方案，我们还是得回到河沙的形成，由来以及其成分上。

沙子的由来

就沙本身的定义来说其实十分广泛，指细小石粒，或形状像沙子般的物质。它可以由任何种类的岩石或矿物制成。其每个晶粒的尺寸在0.05mm-2mm之间，比它再小的一般称为泥，大的是砾石。

河沙的形成：

普通的河沙有可能来自于高山上，随着时间的推移，锯齿状的山峰被冰冻，解冻，日晒雨淋，大风吹碎，跌落山谷，流入河流，在河流中冲刷互相撞击，磨掉所有棱角，最终随着河流的冲刷来到河滩或沙滩上，得到我们想要混凝土理想的沙原料。

河沙仅是河流沉积物的中间产品，可以说每年新增的河沙量微乎其微。而如今我们挖掘开采的河沙是几十万年以来累计的河沙沉积层，挖一点便少一点。

而混凝土其实就是沙子、大石头、水与水泥（粉末状的粘合剂，通常由石灰石与粘土制成）混合在一起，所以我们真正想要的混凝土便是河沙。

如果在显微镜下你会发现沙子多种多样，形态各异，完全不是一种东西（各类元素组成不同的矿物）。所以究其根本来说，沙子便是一种细小的石头或矿石的小型化品类。

沙子的替代品

沙子的用途自不必说，上文有提到，可以用广泛且不可或缺来形容。而又由于适于建筑材料混凝土等制品理想河沙的缺乏，让人们急于寻找替代品。一般来说有以下几种普遍的解决方案。

1、碎石制沙

将石头粉碎后的“机制沙”，也同样能达到国家标准（GB/T 141684293）可以使用在普通混凝土中，并且还能根据工艺需求将其加工成不同规则与大小的沙子，不过与河沙不同，没有经历过自然风化与冲刷的过程其表面角度十分锐利，这会导致其应用于混凝土浇灌后成型难度高，抵抗材料分层离析能力弱（但能通过利用制沙机中的石粉调节制沙率加以改善），不过优点是不用经过几十年大自然的风化便能立即使用。

我们不仅要考虑碎石技术的发展，同样也要考虑到建筑材料的破碎重新利用。因为优质的石材有限且物流成本较大，各地碎石产业一般仅考虑本地及周边供应碎石。

而废旧建筑材料的产生同样是巨大的，以前仅仅是将其作为建筑垃圾集中堆放，既占地又不环保。反观发达国家的废旧建筑材料的回收利用率普遍在80％甚至90％以上，其中资源缺乏的日本甚至达到97％。而在2011年我国建筑垃圾循环利用率不足5％（小生也亲眼见到有官方组织争夺场地倾倒建筑垃圾的情况），足可见建筑垃圾循环利用技术与市场巨大。

在如今河沙缺乏，建筑垃圾利用率极低且影响环保的背景下，我们急于寻找或创造将废旧建筑制砂砾的设备。其中德国阿吉斯（ARJES）环保装备制造集团已经在第二届进博会中展示了其在欧美市场上最为先进与环保的建筑垃圾粉碎处理设备—IMPAKTOR 380 Plus，使用全球最先进的刀轴技术，该设备集可移动、可固定、功能强、能耗低、结构紧凑等优点于一身，其小型可移动的特点尤其适合在城市使用（能在现场对垃圾进行破碎筛分）。

总之碎石与建筑垃圾回收再利用算是一种较好的替代河沙方案了，虽然就产品本身质量来说与优质河沙还有差距，不过相信随着技术的发展这一切都变得越来越好。

2、海沙

至于海沙滩上的沙粒，由于常年经海水拍打，相互挤压摩擦，其性状又好又圆。但其中也混入了许多奇怪的颗粒物与杂质，如贝壳等海洋生物还有电气石。此外还有盐分与氯离子。氯离子超标的混凝土也会对钢筋产生腐蚀作用。

因此要使用海沙不仅要除去其中的杂质还得对其进行淡化处理，使其中氯离子含量低于万分之六。而众所周知淡化处理成本昂贵，此外还有长途运输成本，可以说该方案有着不少制约。

3、其它工业固废

工业固体废物是指在工业生产活动中产生的固体废物，是工业生产过程中排入环境的各种废渣、粉尘及其他废物。一般工业废物如高炉渣、钢渣、赤泥、有色金属渣、粉煤灰、煤渣、硫酸渣、废石膏、脱硫灰、电石渣、盐泥等。其中大多部分为炼钢系统的主要或附属废物。此类工业废弃物如若不能得到合适处理不仅会对环境造成极大的污染，并且也会对资源造成极大的浪费。

在炼钢主系统中的钢渣处理后大部分含铁资源都会回收在炼钢系统中循环，但经破碎磁选工艺后剩余含铁物质低的钢渣尾渣便有了很大的利用潜力，目前已经将其作为掺和料加入混凝土中，随着技术的进步有望进一步提高混凝土的掺和比例。

在以上三类制沙建议中碎石制砂与工业固废循环利用均为很好替代方案，针对工业固废钢渣的利用范围其实有很大的潜力，在此进行着重介绍。

钢渣的用途

一、炼钢主线流程：

要了解钢渣的用途先让小伙伴们简要了解下炼钢的主线流程，其简要工艺流程图如下：

转炉或电弧炉生产出的钢水经过连铸轧辊，轧制成钢板进行后期切割加工成不同类型、尺寸的钢铁产品。其中转炉或电弧炉炼制剩下的产物便称为钢渣。

二、钢渣主要处理工艺：

为了资源的循环利用，一般会将钢渣进行二次加工处理回收其中的含铁资源并尽量将剩余资源全量利用。而钢渣处理工艺大体分为三类：

①热泼法

此方法较为原始，倾倒高温钢渣至热泼场地，喷水冷却3天左右待其自然裂解破碎，然后运输至磁选线处理回收含铁物质筛分不同Fe品位与粒度的产品。该方法工艺操作都较为简单，不过渣铁分离效果欠佳进而含铁物质的回收效果差，钢渣稳定性也不好（游离氧化钙与游离氧化镁较多，利用于混凝土材料中易膨胀开裂）。

②滚筒法

高温熔融态钢渣在旋转的滚筒内，在冷却水及钢球的共同作用下，急冷、固化、破碎，形成小颗粒。该方法生产出的钢渣稳定性、渣铁分离效果、颗粒度均不错，游离氧化钙也较小。不过对钢渣流动性较高也就是必须得液态。

③热闷法

热焖法应用较为普遍，经多年发展也发展了好几代。现今大多是将高温熔融、半熔融钢渣首先在辊压破碎区经破碎及冷却后，温度降至 600℃，然后进入有压热闷罐热闷，在较高的压力条件下，增大了水蒸气的渗透压，加快了水蒸汽与钢渣中的游离氧化钙的反应速率，提高粉化效率。

此工艺适用范围广，渣平均温度大于300℃均适用，处理时间短，粉化率、渣铁分离效果均十分不错，此外游离氧化钙、游离氧化镁含量均小于2％，能很好的适用于建筑材料与混凝土中。

三、钢渣用途：

钢渣是炼钢过程中的一种副产品，炼钢过程中余下的产物。其利用途径一般分为两类：一是作为冶炼溶剂在炼钢系统内循环使用，不仅能代替部分石灰石，而且还能回收许多金属铁与各类元素；二是作为筑路、作铁路道渣、建筑材料（作水泥生产的原料或混合料、钢渣砖、工程回填材料）或农业肥料（磷肥、硅钙肥、改良酸性土壤）原材料。

只要经过适当的成分配比，钢渣（尾渣）是一种十分好的用于基础建设的原材料。国外（例如德国）对钢渣的有效利用率已达98％以上。可以说只要利用好了真的可以变废为宝，资源环保循环生生不息。

而除了以上几类普通应用外，最近兴起的微晶玻璃制品也显得极有前途。

微晶玻璃

微晶玻璃（CRYSTOE and NEOPARIES）又称微晶玉石或陶瓷玻璃。属于无机非金属材料。是一种外国刚刚开发的新型的建筑材料，它的学名叫做玻璃水晶。微晶玻璃和我们常见的玻璃看起来大不相同。它具有玻璃和陶瓷的双重特性，普通玻璃内部的原子排列是没有规则的，这也是玻璃易碎的原因之一。而微晶玻璃像陶瓷一样，由晶体组成，也就是说，它的原子排列是有规律的。所以，微晶玻璃比陶瓷的亮度高，比玻璃韧性强。

一般的废渣土中都含有制作微晶玻璃的大多数成分，例如钢渣。可以通过电脑检测，确定现有原料的化学组成，添加所缺部分，可以大大降低成本。微晶玻璃利用废钢渣、废土做原材料，有利于环境治理，可以变废为宝，与各地环保工作同步进行。

微晶玻璃的特性与用途：

微晶玻璃可以说是集中了玻璃、陶瓷与天然石料的优点，可用作机械上的结构材料、电子电工中的绝缘材料，大规模集成电路底板材料、微波炉耐热材料与器皿、化工、防腐材料与矿山耐磨材料，矿山耐磨材料（破碎设备）等等。可以说是21世纪极为有发展前途与应用场景的材料。

微晶玻璃墙幕

电磁炉微晶玻璃

低膨胀系数的微晶玻璃可用于激光导航陀螺、光学望远镜等重要科技领域，我国生产激光导航陀螺所用微晶玻璃基本依赖进口，目前，厦门航空工业有限公司称已研制出可适用激光导航陀螺的微晶玻璃，质量可与德国等进口玻璃相媲美。利用前景不可限量。

钢渣制备微晶玻璃：

该专利已经发表在相关学术文刊上，就上文所说钢渣作为混凝土材料掺和比例一直低于30％，因为其成分复杂，游离氧化钙、氧化镁、TFe等元素过多，TFe过多铁生锈后同样会导致混凝土膨胀开裂。

而在最新的钢渣制备微晶玻璃的实验中表明其并未出现明显缺陷，例如采用熔融法工艺研究制备Cao-Mgo-Al2O3-SiO2系统微晶玻璃，根据控制掺入钢渣比例实现了微晶玻璃折晶、组织、性能的优异成果，材料学同样是个技术积累的行业，相信随着时间的推移，钢渣制备微晶玻璃将会越来越成熟。

‬金属玻璃

金属玻璃又被称为非晶态合金，顾名思义既有金属和玻璃各自的优点，又克服了它们各自的弊端。其强度超过钢铁，硬度比高硬工具钢还硬同时又有一定的韧性与刚性。

我们都知道材料的性能取决于其原子排列结构，金属玻璃内部主要以金属材料为组成框架，原子堆积结构为长程无序的亚稳态金属材料。

该材料应用前景广阔，我们熟知的高尔夫球杆碰头，网球拍，滑雪杆，制造穿甲弹头，引擎核心零件等等。

当前的金属玻璃都是由较为纯净的金属与玻璃熔合迅速降温制成，成本较为高昂，作为纯粹的建筑材料韧性还不大够。而钢渣混合了各类金属材料，如果未来能在不需要那么高纯度的金属与沙熔炼制造出韧性强且坚硬的金属玻璃，那人类将彻底解放自我。大基建将更上一大步，届时直达太空的电梯什么的都将变得普遍。

结语

就本世纪以来，人类面临的环境问题越来越具体与严峻，无论是气候、污染、还是土壤结构。回想一下我们衣食住行的所有来源是不是都出自地球上的所有元素与能量。石油、各类元素土壤、水。我们真的只是大自然的搬运工进而利用创造。所以为了环境的可持续发展有学者早就提出循环经济的概念，当人们能将所有工业废弃物、生活废弃物等善加回收分类并全量利用，相信作为地球一份子的我们也能在大自然生态中循环得更加自在。

河道挖沙主要会对生态景观、水土流失、影响地表流径等生态影响。可以说沙构成了我们今天见到的所有基础设施。河沙的新增与总量是如此有限，随意开采会破坏自然环境。所以最好的方式便是寻求替代与循环利用了。

扩展开来，其实无论是沙、工业固废、生活废弃物还是能源等，人类要走向未来可持续发展都涉及到资源与能源的可持续性利用。而将目前还未全量利用的工业固废、建筑垃圾、石头等善加利用制成我们所需要的产品无疑是非常好的替代方案。本文仅以沙石在我们生活中的应用状况为契机探讨了资源循环利用与新产品的可能性，当然随着科研的深入还有更多新材料、新工艺被开发出来持续造福人类与自然。