綠色水泥：為消減大氣溫室效應(yīng)助力

劉華林/編譯

短短8分鐘，水泥制造商就向大氣中排放了3萬多噸二氧化碳

●縱觀全球氣候變暖，水泥制造業(yè)是溫室氣體的一個主要排放源頭。然而，要減少該產(chǎn)業(yè)的碳排放，則意味著在掌控水泥這一極其復(fù)雜材料的同時，重在提升水泥的“綠色”含量。

地球的不幸

假設(shè)將今年全球預(yù)期產(chǎn)出的水泥以某種方式全部傾倒入曼哈頓島，這34億噸的水泥將會固化成一座14米高的山。如果到了明年，這座山還會繼續(xù)長高——因為在諸如中國和印度等發(fā)展中國家其工程建設(shè)正如火如荼。無論是擁有兩千年歷史的羅馬萬神廟，還是現(xiàn)代的摩天大樓、高速公路，水泥都是建造這些人類文明工程的重要原材料。

然而，這對地球氣候來說并不是件幸事。現(xiàn)在，作為這種材料最廣泛應(yīng)用形式的波特蘭水泥，即硅酸鹽水泥是由石灰石和黏土在大型窯爐中焙燒而成，每生產(chǎn)1噸成品，就有約1噸二氧化碳被排放到空氣中。在人類排放的溫室氣體中，波特蘭水泥產(chǎn)生的二氧化碳約占5%。

更糟糕的是，對于尋求各種方法降低碳排放的研究人員來說，水泥不僅是一種司空見慣的、大批量使用的商品，更是材料科學(xué)中已知的一種結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的物質(zhì)之一。從它的結(jié)構(gòu)組成到其與水混合發(fā)生反應(yīng)并澆注進(jìn)模具成形的過程中，“科學(xué)家對有關(guān)水泥的一些基本問題都給不出解答”，美國麻省理工學(xué)院（MIT）混凝土可持續(xù)發(fā)展中心（CSHub）主任哈姆林·詹寧斯（Hamlin Jennings）說。

“水和水泥灰接觸后發(fā)生反應(yīng)的細(xì)節(jié)是極富爭議性的，”位于馬里蘭州蓋瑟斯堡的美國國家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院（NIST）水泥專家說，“關(guān)于這一問題的爭議，簡直像宗教之爭，一時難有解答。”

盡管如此，碳排放交易市場實行碳稅和碳排放總量限制的前景促使全球水泥廠商開始尋求采用綠色或可持續(xù)發(fā)展的水泥項目，從支持基礎(chǔ)研究，到推進(jìn)國際建筑規(guī)范改革等一些列措施。如果這些措施全部落實到位，水泥行業(yè)二氧化碳排放量最終將會減半。

成立于2009年的CSHub是混凝土行業(yè)全球最大的學(xué)術(shù)研究中心之一。五年多來接受業(yè)內(nèi)企業(yè)注資1 000萬美元。目前，CSHub由12名研究人員組成，研究范圍涉及水泥的各種結(jié)構(gòu)功能以及其量子力學(xué)性能等。詹寧斯說，很顯然，在分子尺度上分析水泥的生成過程是件困難的事。

水泥的形成

水泥的生產(chǎn)過程開始時先將石灰石和鋁硅酸鹽黏土混合，由于兩者有各自的化學(xué)特性和雜質(zhì)，在約1 500℃高溫的窯爐中焙燒，其過程會相互作用并生成淺灰色、彈珠般大小的塊狀“熟料”。熟料含有硅、鐵、鋁的氧化物（主要來自于黏土）和氧化鈣（高溫加熱石灰石釋放出二氧化碳后產(chǎn)生的）。該反應(yīng)過程是二氧化碳產(chǎn)生的主要來源，其余的二氧化碳則來源于加熱窯爐所用的燃料。待熟料冷卻，將之與石膏（其含量決定水泥的凝結(jié)速度）混合并研磨成顆粒均勻的粉末，最后運(yùn)送到混凝土制作工廠。

在這些工廠，水泥灰與水混合成漿，漿的稠度可以根據(jù)其用途進(jìn)行調(diào)配，比如，橋梁灌樁或路面整修對此要求就不同。最常見的是漿和沙子、礫石或大塊的石子混合成混凝土砂漿，然后由混凝土攪拌車運(yùn)到施工現(xiàn)場，注入模具里，并很快開始凝固。不過完全的凝固可能需要幾個月時間。

“人們感興趣的一個熱點(diǎn)在于最初的幾個小時這種混合物是流體狀態(tài)的，”詹寧斯說，“而后的一系列同步化學(xué)反應(yīng)生成的某些產(chǎn)物加快了混凝土砂漿的固化進(jìn)程。”其中，最重要的是水和粉末熟料反應(yīng)后轉(zhuǎn)化為最終產(chǎn)物——人造石——的水化反應(yīng)，這種人造石是硅酸鈣水合物（CaO-SiO2-H2O或C-S-H）。CSHub的物理化學(xué)家羅蘭·佩倫（Roland Pellenq）說：“地球上所有的建筑都是依賴這種從流體到石頭的轉(zhuǎn)變過程。”

盡管如此，但佩倫認(rèn)為C-S-H依然是一個不精確的化學(xué)式。因為它無法明確各組分的比例，并且反應(yīng)產(chǎn)物也取決于初始成分、水的用量和鈣硅比，以及添加劑、污染物、溫度和濕度等。當(dāng)然，混凝土的不透明性也增加了C-S-H的分析難度。

配方的調(diào)整

盡管存在上述這些挑戰(zhàn)，佩倫說，他和CSHub的同事在碳排放問題研究上還是取得了一些進(jìn)展。其中一個比較具有突破性的方法就是降低窯爐溫度，從而減少燃料消耗（其主要目標(biāo)是硅酸三鈣石（Ca3SiO5）和斜硅鈣石（Ca2SiO4），二者是生產(chǎn) C-S-H的熟料的主要原生礦物）。硅酸三鈣石在兩者中更具活性，加水后幾個小時內(nèi)就開始凝固，形成了混凝土的初始強(qiáng)度。然而，硅酸三鈣石需要達(dá)到1 500℃才能形成，而斜硅鈣石在1 200℃左右的溫度就能形成。斜硅鈣石最終態(tài)會更堅固，不過需要數(shù)天甚至幾個月時間才能變硬。目前，佩倫和其同事正在探究是否存在某些擁有較低焙燒溫度且活性與硅酸三鈣石相當(dāng)?shù)牟牧希阌诠?jié)約燃料。

問題的答案取決于原子尺度的細(xì)節(jié)，例如晶體中的電子分布。研究人員為此從量子力學(xué)角度計算了C-S-H受鋁、鎂和其他雜質(zhì)影響的情況。正如佩倫所說，要想完成量子熟料工程，就需要知道電子在哪里。CSHub團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，硅酸三鈣石晶體中總有一面較其他面更易溶于水，但在斜硅鈣石晶體中，所有的面都難以與水反應(yīng)。這就是為什么斜硅鈣石凝固得更慢的原因。佩倫同時表示，研究結(jié)果也表明，某些雜質(zhì)（比如鎂）有助于斜硅鈣石易溶于水。這可能會使斜硅鈣石在作為建筑水泥的主要成分時凝固得更快。

然而，弗吉尼亞州亞歷山大市的水泥公司Ceratech也在尋找常規(guī)熟料的替代方案。該公司從兩千年前古羅馬工程師使用的水泥中找到了靈感，即一種可與水反應(yīng)生成水泥的火山灰，其功能類似于天然熟料。與此同時，Ceratech正在開發(fā)可以用于工業(yè)的粉煤灰——一種燃煤發(fā)電廠的燃燒氣體中過濾出的細(xì)顆粒。在美國，每年產(chǎn)出大約7 000萬噸粉煤灰，其中大部分都在垃圾填埋場存儲或被處理掉了。Ceratech通過利用一些專用液態(tài)添加劑，將粉煤灰轉(zhuǎn)化成水泥顆粒。由于該過程不需要加熱，因此Ceratech稱這種粉煤灰水泥是碳中性的。

Ceratech執(zhí)行副總裁馬克·瓦西爾克（Mark Wasilko）聲稱，盡管多年來許多工廠制造的水泥成分中粉煤灰含量達(dá)15%，但Ceratech的合成水泥粉煤灰含量高達(dá)95%。此外，用粉煤灰合成的水泥比傳統(tǒng)的水泥更堅固，因此設(shè)計者可以減少熟料的用量。Ceratech稱，以建造傳統(tǒng)的三層樓、4 600平方米的建筑為例，使用粉煤灰水泥總量可以減少183立方米混凝土和34噸鋼筋；同時可以減少垃圾填埋場374噸粉煤灰和減少320噸碳排放。

瓦西爾克說，Ceratech目前只是水泥業(yè)界中的小小一員，他們致力于減少碳排放的努力也只是滄海一粟。只有當(dāng)建筑業(yè)的所有建設(shè)者、工程師、建筑師、城市規(guī)劃者開始使用這種水泥，才能大幅度地減少碳排放。這也意味著降低了選擇綠色水泥的門檻，減少使用傳統(tǒng)水泥的預(yù)知風(fēng)險。

如果越來越多的國家實行碳交易政策，使碳排放成本越來越高，人們的態(tài)度就有可能轉(zhuǎn)變。眼下，一個最直接改變?nèi)藗儌鹘y(tǒng)觀念的就是建設(shè)示范性綠色建筑，如橋梁、道路和建筑物，向世人證明這種新的水泥的魅力和生命力。瓦西爾克說，他希望公司目前正在進(jìn)行的一些項目，比如格魯吉亞Savannah港口的碼頭，以及得克薩斯州Galveston為海灣硫服務(wù)署修建的化學(xué)處理基地，能夠成為綠色水泥的示范建筑。

這項事業(yè)有足夠多的理由值得大力拓展。就在我們讀完這篇文章的時候，水泥制造商又向大氣中排放了3萬多噸的二氧化碳。