為水泥撕去污染標(biāo)簽

它應(yīng)該是人類最熟悉的人造建材了，不論是兩千年前的羅馬萬神殿，還是現(xiàn)代都市隨處可見的摩天樓和高速公路，離開了水泥都不可能完成。如果將全世界一年生產(chǎn)的水泥都倒在北京二環(huán)以內(nèi)，我們會得到一塊重34億噸、約14米厚的巨石。而且這塊巨石的體積，每年都在增大，這主要?dú)w功于中國和印度兩個超級建設(shè)大國。

這種建材的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的：廉價、操作簡便，而且奇跡般地堅(jiān)如磐石。可惜的是，它也是造成溫室效應(yīng)的最大元兇之一。全球每年的碳排放中，有5%是在制造水泥的過程中貢獻(xiàn)的。以最常用見的硅酸鹽水泥為例，這種用石灰石加粘土在窯爐里煅燒出來的水泥，每生產(chǎn)一噸成品，向大氣排放的二氧化碳也接近一噸（約940千克）。

2000多年前，羅馬人發(fā)現(xiàn)把石灰、火山灰、水和石塊摻在一起后，可以凝固成非常堅(jiān)固的物體，用它建造出的海港、紀(jì)念碑和各種建筑物可以長久地屹立不倒。到了19世紀(jì)20年代，英國一位名叫約瑟夫·阿斯普?。↗oseph Aspdin）的石匠師傅在廚房里將研磨過的石灰?guī)r跟粘土混合在一起，將它們加熱，又加入水以后，發(fā)現(xiàn)這種混合物居然板結(jié)硬化了，看上去跟英國波特蘭島上產(chǎn)的建筑石料很相像。后來他將這種材料命名為“波特蘭水泥”，并申請了專利。從此，這種水泥的運(yùn)用越來越廣泛，幾乎成了現(xiàn)代水泥的代名詞。

制造水泥的關(guān)鍵配料是石灰?guī)r和鋁矽酸鹽粘土，它們各自含有不同的化學(xué)成分和雜質(zhì)。在將它們加熱煅燒的過程中，粘土中的化學(xué)物質(zhì)會形成硅、鐵和鋁的氧化物，而石灰?guī)r因?yàn)楹胸悮ゎ惡Ｑ笊锪粝碌奶妓徕}，里面的二氧化碳會被高溫驅(qū)逐出去，剩下鈣氧化物。這部分被驅(qū)逐的二氧化碳，以及高溫煅燒時燃料所排放的二氧化碳，就是水泥制造過程中大量碳排放的來源。

在碳排放的代價日益昂貴的今天，無數(shù)的大公司都在為科研機(jī)構(gòu)傾注資金，希望找到一個為水泥減碳的方法。麻省理工的混凝土可持續(xù)發(fā)展中心（CSHub）是全球研究水泥最權(quán)威的機(jī)構(gòu)之一。自從2009年創(chuàng)立以來，這個擁有十多個贊助廠商的機(jī)構(gòu)籌集的資金已經(jīng)超過了1000萬美元。

“盡管水泥是一種再常見不過的東西，但至今為止，我們對它的產(chǎn)生原理卻知之甚少?！盋SHub的負(fù)責(zé)人哈姆林·詹寧斯說?！耙坏┧喾劢佑|到水以后，內(nèi)部會發(fā)生一系列環(huán)環(huán)相扣的反應(yīng)，這些反應(yīng)是非常微妙又復(fù)雜的，至今沒有人能準(zhǔn)確地破譯出來。專家們在這個問題上的爭論，其猛烈程度簡直可以媲美宗教戰(zhàn)爭?！?/p>

按下葫蘆浮起瓢

在他們看來，水泥最神秘的一點(diǎn)就是，它混合水以后的泥漿可以在開始幾小時內(nèi)維持液態(tài)，然后在內(nèi)部同時發(fā)生一系列激烈的化學(xué)反應(yīng)，最后變成固體?！拔覀兛梢钥隙ǖ氖?，最后的成品是一種水化硅酸鈣（CaO–SiO2–H2O， 或是C–S–H）。但這中間的過程到底發(fā)生了什么呢？”CSHub研究所的物理化學(xué)家羅南·佩靈格說。

“水硅酸鈣其實(shí)是一種成分不固定的物質(zhì)，每種成分的比例并不確定。生成它的過程中，無論是水、鈣、硅、其他雜質(zhì)的比例，還是溫度和濕度，都會影響最終的成品構(gòu)成。而且我們都知道，水泥塊是個不透明的東西，這又增加了研究的難度。”

盡管如此，佩靈格和同事們還是有了一些思路。一個降低碳排放的辦法就是，降低煅燒所需的溫度，從而減少燃料的消耗?！澳壳皝碚f，有兩種原生礦物可以形成水硅酸鈣：硅酸三鈣石（Ca3SiO5）和斜硅鈣石（Ca2SiO4）。硅酸三鈣石需要在1500度的高溫下才能形成，而它在加水幾小時后，就會開始變硬。硅酸三鈣石呢，需要的溫度比較低，是1200度，而且硬化后的成品更加堅(jiān)固。但它的固化過程需要好幾天甚至好幾個月，因此沒有辦法單獨(dú)使用?！?/p>

如果能將硅酸三鈣石的固化速度，與斜硅鈣石的形成溫度結(jié)合起來，就能減少煅燒的燃料了。但這不是個簡單的問題?！耙鼈兊男纬稍砗蛥^(qū)別，你就必須搞清楚兩者晶體中的電子分布情況，這已經(jīng)涉及到原子級別的細(xì)節(jié)了?！贝送猓麄冞€需要運(yùn)用量子力學(xué)原理，計(jì)算出水硅酸鈣的結(jié)構(gòu)是怎樣被鋁、鎂和其他雜質(zhì)所影響的。比如，鎂可以幫助斜硅鈣石更容易溶于水，這樣也許能提高它的固化速度。

而另一方面，這種思路又帶來了新問題。因?yàn)樗嘣显陟褵?，冷卻下來的爐渣要跟石膏以一定比例混合，打碎成均勻的粉末，然后再運(yùn)到建筑工地上，跟水、沙子、碎石等混合在一起使用。CSHub研究所的機(jī)械工程師佛朗茲·喬瑟夫發(fā)現(xiàn)，打碎斜硅鈣石爐渣所需要的能量要比硅酸三鈣石高出4到9倍，也就是說，燃燒它時減少的碳排放，在磨粉的過程中又被抵消了一部分。

石灰?guī)r的替代品

如果降低煅燒溫度有難度的話，能不能從另一個二氧化碳排放源下手，直接減少甚至取代掉石灰?guī)r呢？倫敦帝國大學(xué)的環(huán)境工程專家尼古拉斯·瓦拉斯普魯斯正是從這方面入手的。

“我曾經(jīng)看過澳大利亞的一份研究，他們在波特蘭水泥中加入了氧化鎂，用它取代一部分石灰?guī)r。因?yàn)檫@樣可以大大降低煅燒溫度。但很可惜，氧化鎂是通過加熱碳酸鎂而產(chǎn)生的，這個過程本身就排放出了二氧化碳。在某些檢測中，生產(chǎn)這種水泥的碳排放總量甚至是之前的兩倍。”

但他從這種不成功的嘗試中看到了另一種可能性：尋找一種既有氧化鎂的特性，又不會排放出二氧化碳的物質(zhì)來取代石灰?guī)r?！拔议_始考慮硅酸鎂，它不含碳原素，可以從滑石、蛇紋石、橄欖石中提取，全世界的總供給量有10萬億噸?！蓖呃蛊蒸斔乖趯?shí)驗(yàn)了無數(shù)種配方后，成功地調(diào)配出了一種以硅酸鎂為原料的混合物（配方他已經(jīng)申請了專利），用這種混合物取代石灰石的話，水泥在硬化過程中會不斷吸收大量二氧化碳后，最后板結(jié)成型。

“每生產(chǎn)一噸這種水泥，就能吸收0.1噸的二氧化碳，它就像是生長的植物一樣。而且，跟傳統(tǒng)的高溫煅燒相比，它的生產(chǎn)所需溫度還不到300攝氏度，既降低了能源的消耗，也能應(yīng)用上很多可再生燃料，因此可以說是綠色環(huán)保的?！痹谕械膸椭拢呃蛊蒸斔挂呀?jīng)成立了一家專門開發(fā)這種新型水泥的公司諾瓦西姆（Novacem），并有了幾個世界上最大的水泥公司做合伙人。

另一家公司的靈感則來自2000多年前。美國佛吉尼亞州的Ceratech公司認(rèn)真研究了歷史：“古羅馬人是用火山灰跟水混合做出水泥的。我們分析了火山灰的成分，發(fā)現(xiàn)它完全可以用現(xiàn)代煤電站排放出的粉煤灰來替代。”美國每年因燃煤發(fā)電而產(chǎn)出的粉煤灰有7000萬噸，大部分都被當(dāng)成垃圾填埋掉了。Ceratech公司將粉煤灰與一些專利液體添加物結(jié)合后，成功地生產(chǎn)出了水泥顆粒。由于這個過程不需要加熱，所以可以說是綠色零排放的。

Ceratech公司的執(zhí)行副總裁馬克·瓦斯科對自己的產(chǎn)品非常有信心，“這些年來，水泥公司的生產(chǎn)過程中利用的粉煤灰大概只占15%，而我們的水泥中粉煤灰的含量是95%，所以在資源回收上的意義是非常大的。另外，這種水泥比傳統(tǒng)配方的更加堅(jiān)固，所以在實(shí)際用量上還可以節(jié)省一些。”

根據(jù)他給出的數(shù)據(jù)，以一座典型的三層4600平米的建筑為例，用Ceratech公司的粉煤灰水泥可以少用183立方米的水泥、34噸鋼筋，比傳統(tǒng)水泥減少的二氧化碳排放是320噸。

用二氧化碳造水泥

很多同行也相信，石灰?guī)r是水泥制造中的瓶頸，也是突破口。美國加州的卡列拉Calera公司采用的是另一種思路，它在加州建立了一個示范工廠，做法是：利用電力工廠生產(chǎn)過程中排出的二氧化碳，將它與海水或鹽水混合形成碳酸鹽，用它減少甚至替代生產(chǎn)水泥時所使用的石灰?guī)r。

“實(shí)際上，我們把排進(jìn)大氣層的二氧化碳重新塞回了水泥里?！笨欣镜膭?chuàng)建者伯蘭特·康斯坦茲介紹?！拔覀円呀?jīng)在中國內(nèi)蒙古某個煤礦附近與一個集團(tuán)合建了一個工廠，利用當(dāng)?shù)鼗痣娬九欧诺亩趸紒碇圃焖?。”盡管這項(xiàng)技術(shù)仍然處于研發(fā)階段，但卡列拉公司已經(jīng)獲得了硅谷投資家維諾德·科斯拉的5000萬美元投資。

但是，如馬克·瓦斯科所說，如果要靠綠色水泥來減少碳排放，需要成千上萬的生產(chǎn)商、建筑商、工程師、城市規(guī)劃者的協(xié)同改進(jìn)。目前推廣綠色水泥的首要障礙就是：缺乏第一批吃螃蟹的實(shí)踐者。

“如果修建了足夠多的示范性建筑，比如橋梁、道路和建筑物，讓人們看到這種新型水泥的可靠性，那么它的推廣會順利很多。”Ceratech公司目前已經(jīng)開始實(shí)施一些項(xiàng)目了，比如美國喬治亞州的一個港口碼頭建筑，德克薩斯州的一個化學(xué)處理基地，他們所期待的結(jié)果，還要等時間來驗(yàn)證。