綠色新型水泥

水泥是促進(jìn)人類文明發(fā)展的一種關(guān)鍵原材料，從具有2000 年歷史的古羅馬萬(wàn)神殿藝術(shù)品，到現(xiàn)代摩天大樓、高速公路、機(jī)場(chǎng)和碼頭等，到處都可看到它的蹤跡。就總體積而言，水泥在全世界的使用量?jī)H次于水?！蹲匀弧冯s志 2 月20日刊登題為《綠色水泥—混凝土方案》的文章指出，今年全球水泥總產(chǎn)量將達(dá) 34 億噸。若將其全部?jī)A注于美國(guó)紐約州曼哈頓島上，將堆積成一個(gè)高達(dá) 14 米的巨型石柱。如果目前印度、中國(guó)等發(fā)展中國(guó)家建筑業(yè)的興旺勢(shì)頭持續(xù)下去，明年全球水泥產(chǎn)量所堆積的巨石柱將會(huì)更高。然而，水泥制造業(yè)是溫室氣體的主要排放源之一，減少排放意味著需要妥善掌控這種用途廣泛、最為復(fù)雜的建筑材料。文章詳盡介紹了美國(guó)麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心（簡(jiǎn)稱 CSHub）在綠色水泥研究方面的新進(jìn)展，以及 Ceratech 公司的替代性解決方案，認(rèn)為如果世界各國(guó)工業(yè)界目前業(yè)已采取的促進(jìn)綠色水泥可持續(xù)性發(fā)展的行動(dòng)取得成功，最終將能使水泥制造業(yè)的二氧化碳排放總量減少一半。

工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料

粉狀水硬性無(wú)機(jī)凝膠材料，加水?dāng)嚢韬蟪蓾{體，它能在空氣或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結(jié)在一起。早在 2000 多年前，古羅馬人把石灰、火山灰以及石塊摻在一起形成混凝土，用于建造海港、紀(jì)念碑、萬(wàn)神殿和羅馬圓形大劇場(chǎng)等建筑物。

1824 年，英國(guó)石匠約瑟夫·阿斯普丁發(fā)明了現(xiàn)代水泥。他在廚房里加熱一種經(jīng)研磨的石灰?guī)r和黏土混合物，當(dāng)加入水后這種混合物板結(jié)硬化，工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料就此誕生！當(dāng)年，他以“人造新式石頭工藝的改進(jìn)”注冊(cè)了這項(xiàng)發(fā)明專利。從表面上看與產(chǎn)自波特蘭島上的建筑流行石料相似，阿斯普丁便將這種材料命名為“波特蘭水泥”，這就是目前人類最廣泛使用的建筑材料——硅酸鹽水泥。

現(xiàn)代水泥的生產(chǎn)工藝一般可分為生料制備、熟料煅燒和水泥制成三個(gè)工序。硅酸鹽水泥生產(chǎn)工藝在水泥生產(chǎn)中具有代表性，它是以石灰石和黏土為主要原料，經(jīng)破碎、配料、磨細(xì)制成生料，然后喂入水泥窯中煅燒成熟料，再將熟料加適量石膏（或添加劑等）磨細(xì)而成。

不幸的是，采用這種生產(chǎn)工藝，每生產(chǎn) 1 噸水泥就要向大氣中排放 1 噸二氧化碳。世界各國(guó)水泥制造業(yè)所排放的二氧化碳，約占全球溫室氣體排放總量的 5%；在美國(guó)，水泥制造業(yè)的二氧化碳排放量居第三位，僅次于油燃料消費(fèi)（用于交通、電力、化工制造等）和鋼鐵工業(yè)。

既普通又最為復(fù)雜的物質(zhì)

對(duì)于探尋減少排放途徑的研究人員來(lái)說(shuō)，更為糟糕的是，水泥并不僅僅是一種產(chǎn)量巨大的普通商品，它也是材料科學(xué)中已知最為復(fù)雜的物質(zhì)之一。

CSHub 成立于 2009 年，是目前全球極力倡導(dǎo)打造“綠色”水泥的著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之一。5 年來(lái)工業(yè)界共為其提供了1000 萬(wàn)美元的研究經(jīng)費(fèi)，中心現(xiàn)有 12 位主要研究人員，致力于研究水泥各種結(jié)構(gòu)的功能和其量子力學(xué)性能。該中心主任、水泥化學(xué)專家哈姆林·詹寧斯認(rèn)為，在分子層面上對(duì)水泥制造過(guò)程進(jìn)行詳盡研究是一項(xiàng)艱辛的工作。

詹寧斯指出，對(duì)于水泥的結(jié)構(gòu)和成分、它與水混合后發(fā)生怎樣的反應(yīng)，以及被澆鑄到模具后的形成過(guò)程等一系列問(wèn)題，“我們依然沒(méi)有搞清楚其中某些最為基本的問(wèn)題。實(shí)際上，我們不太了解這些東西變硬的化學(xué)過(guò)程。在人類使用的所有建筑材料中，沒(méi)有一個(gè)像波特蘭水泥這樣，我們對(duì)其知之甚少。”美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院水泥專家肯內(nèi)斯·辛德?tīng)栆舱f(shuō)：“當(dāng)水接觸到水泥粉時(shí)，究竟發(fā)生了什么？其詳情如何？這是目前爭(zhēng)論最為激烈的焦點(diǎn)。”

然而，隨著碳稅和限量與交易市場(chǎng)等減排措施的不斷推進(jìn)和深化，世界各國(guó)的工業(yè)界已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，采取了一些積極的行動(dòng)，例如大力支持相關(guān)基礎(chǔ)研究、推動(dòng)改革國(guó)際建筑規(guī)范等，以促進(jìn)綠色水泥的發(fā)展。如果這些行動(dòng)取得成功，最終將使水泥制造業(yè)的二氧化碳排放總量減少一半。

奇特的混合物

生產(chǎn)水泥的第一步是將石灰石和鋁硅酸鹽黏土這兩種配料混合在一起。詹寧斯說(shuō)：“這兩種物質(zhì)分別都有各自的化學(xué)成分和一些雜質(zhì)。將混合物喂入窯中煅燒，溫度達(dá)到約攝氏 1500 度時(shí)將發(fā)生各種反應(yīng)，最后形成略帶灰色的、體積如大理石般的厚塊——水泥熟料，它含有硅、鐵、氧化鋁（大多數(shù)來(lái)自于黏土）和氧化鈣（即生石灰）。在生石灰的形成過(guò)程中，石灰石中的碳酸鈣向大氣中排放二氧化碳。這個(gè)過(guò)程中的二氧化碳排放是水泥生產(chǎn)工藝中溫室氣體排放的主要來(lái)源，此外，煅燒過(guò)程中燃料消耗是另一個(gè)來(lái)源。待水泥熟料冷卻后，將它與石膏混合（其用量將決定水泥的凝固速度），然后再被碾磨成粉末配送到攪拌廠?！?/p>

在攪拌廠里，水泥粉與水混合后形成漿狀，并根據(jù)特定用途(如用于橋墩、鋪路等)來(lái)配制其稠度。通常的做法是，將漿狀物與礫石、或較大的石塊混在一起形成混凝土。然后將混凝土漿運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ睾蜐沧⒂谀＞咧?，它很快便開(kāi)始硬化，但完全凝固可能會(huì)耗時(shí)數(shù)月。

詹寧斯說(shuō)：“對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行大量研究后所發(fā)現(xiàn)的奇跡之一就是，在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)混合物以流體狀態(tài)存在，之后同時(shí)發(fā)生的一系列劇烈化學(xué)反應(yīng)便開(kāi)始產(chǎn)生一些新物質(zhì)，這些新物質(zhì)能使水泥逐漸硬化。”其中，水合反應(yīng)對(duì)最終材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽焓^——水化硅酸鈣（即 C–S–H）。CSHub 物理化學(xué)家羅蘭德·佩林克說(shuō)：“地球上所有建筑都依賴于這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭^的過(guò)程。”

但佩林克指出，水化硅酸鈣是一個(gè)極其不精確的化學(xué)式，其成分沒(méi)有固定的比例。在既定的硬化混凝土樣品中，這種反應(yīng)產(chǎn)物取決于很多種因素：包括最初用料、摻水量、鈣和硅之間的比例，以及添加劑、溫度和濕度等。此外，混凝土的不透明特性也增加了分析其形成過(guò)程的難度。

調(diào)整配方打造綠色水泥

要打造綠色水泥，實(shí)現(xiàn)減排目標(biāo)，就需要設(shè)法減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中的兩個(gè)主要排放源。從技術(shù)角度來(lái)講，起碼有兩個(gè)選擇：一是選擇煅燒過(guò)程中二氧化碳排放量少的替代性配料，甚至是無(wú)需煅燒的材料直接作為熟料；二是選擇煅燒溫度較低的配料，以減少燃料消耗量。

佩林克說(shuō)，盡管面臨上述挑戰(zhàn)，他和同事們?cè)诮档投趸寂欧欧矫嬉廊蝗〉昧艘恍┻M(jìn)展，其中很有希望的一個(gè)研究途徑就是尋找各種方法以降低煅燒溫度。目前研究的主要目標(biāo)是硅酸三鈣和硅酸二鈣，它們是水泥熟料中能產(chǎn)生 C–S–H 的兩種主要礦物成分。相比之下，硅酸三鈣更具活性，其水化反應(yīng)快，在加入水后數(shù)小時(shí)就開(kāi)始硬化（形成混凝土的早期強(qiáng)度）。但是硅酸三鈣的形成條件要求煅燒溫度完全達(dá)到 1500 攝氏度，而硅酸二鈣所要求的溫度約為 1200 攝氏度。雖然硅酸二鈣的強(qiáng)度更好些，但需要在數(shù)天甚至數(shù)月之后才能開(kāi)始硬化過(guò)程，因而不宜適用于建筑項(xiàng)目。佩林克和其同事正在研究，某些硅酸二鈣晶體結(jié)構(gòu)是否具有硅酸三鈣同樣的活性，以便降低煅燒溫度，節(jié)約燃料。

解決該問(wèn)題需要從原子量級(jí)上入手（如晶體中的電子分布情況等），研究人員通過(guò)量子力學(xué)方法來(lái)計(jì)算鋁、鎂和其他雜質(zhì)如何影響 C–S–H 的結(jié)構(gòu)。佩林克指出：“為了對(duì)水泥熟料進(jìn)行量子工程學(xué)研究，就需要知道電子究竟在哪里。”CSHub 的研究人員發(fā)現(xiàn)，硅酸三鈣晶體總有一個(gè)平面相對(duì)更易溶解于水，但在硅酸二鈣晶體中，所有晶面都很相似，因而其晶體不易與水發(fā)生反應(yīng)。這就是硅酸二鈣的硬化速度較硅酸三鈣慢的原因。但佩林克認(rèn)為這一結(jié)果也暗示某些雜質(zhì)（如鎂等）有助于硅酸二鈣溶解于水，這將能加快硅酸二鈣的硬化過(guò)程，從而成為建筑水泥的主要成分。

如果采用煅燒溫度較低的硅酸二鈣可能會(huì)引起一些新問(wèn)題。CSHub 工程師弗雷茲-約瑟夫·尤爾瑪?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，與硅酸三鈣相比，將硅酸二鈣碾磨成粉末需要多消耗 4 倍到 9倍的能量，這將降低采用富含硅酸二鈣熟料的減降排效果。

美國(guó)弗吉尼亞州亞歷山大市的一家小型水泥公司Ceratech則另辟蹊徑——致力于尋求替代傳統(tǒng)水泥熟料的解決方案。該公司從古羅馬工程師們 2000 年前使用的水泥中獲得靈感——采用火山灰作為天然水泥熟料，在火山灰中摻水使其發(fā)生反應(yīng)生產(chǎn)水泥。

Ceratech 公司正在利用粉煤灰（從煤電廠排放的燃燒氣體中濾出的微粒）作為水泥熟料。全美的煤電廠每年大約產(chǎn)生 7000 萬(wàn)噸粉煤灰，其中絕大部分被存儲(chǔ)或由廢棄物填埋場(chǎng)處理。Ceratech 公司在粉煤灰摻入若干種添加劑，然后將其用作水泥粉。這種工藝不需要加熱過(guò)程，因此公司認(rèn)為粉煤灰水泥石沒(méi)有碳污染。

雖然某些水泥生產(chǎn)商數(shù)年前就已采用含有粉煤灰的混合物生產(chǎn)水泥，但其粉煤灰的比例只有 15%。Ceratech 公司行政副總裁馬克·瓦西庫(kù)指出，按照公司開(kāi)發(fā)的新配方，粉煤灰比例高達(dá) 95%，其余 5% 為液態(tài)添加劑。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土其強(qiáng)度高于各類傳統(tǒng)水泥，因而可以減少建筑物的水泥使用量。以一座面積為 4600 平方米、典型的三層建筑物為例，使用該公司生產(chǎn)的粉煤灰水泥可以大大減少混凝土和加強(qiáng)型鋼筋的使用量——能分別減少 183 立方米和34 噸。同時(shí)也能使廢棄物填埋場(chǎng)減少粉煤灰處理量 374 噸，二氧化碳減排效益可達(dá) 320 噸。

綠色水泥沒(méi)有坦途

瓦西庫(kù)說(shuō)，目前 Ceratech 在水泥行業(yè)只是一個(gè)小不點(diǎn)，對(duì)于年產(chǎn)規(guī)模以億噸來(lái)計(jì)量的水泥制造業(yè)來(lái)講，其貢獻(xiàn)對(duì)總體減排重任來(lái)說(shuō)只是“杯水車薪”。只有當(dāng)建筑行業(yè)數(shù)以千計(jì)的生產(chǎn)商、工程師、建筑師、城市規(guī)劃者、建筑監(jiān)察員等都能以積極的態(tài)度對(duì)待綠色水泥時(shí)，才能實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的減排效益。從經(jīng)濟(jì)效益等角度來(lái)考慮，相對(duì)于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的傳統(tǒng)水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風(fēng)險(xiǎn)，只有在上述條件下這種風(fēng)險(xiǎn)才會(huì)降低。美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院水泥專家辛德?tīng)栒{(diào)侃說(shuō)，這種擔(dān)憂就是“如果此路不通，老板將會(huì)打我板子”。

詹寧斯也強(qiáng)調(diào)指出，水泥工業(yè)的經(jīng)濟(jì)重要性日漸提升，其在科學(xué)上的重要性也在不斷提高，研究人員需要努力探索各種更好的方案。他說(shuō)：“世界正在改變，將需要每一個(gè)人（包括所有的水泥公司）都盡可能地更加環(huán)保，并設(shè)法讓世界變得更加美好?！?/p>

展望未來(lái)，如果更多國(guó)家采用碳稅或者限量與交易計(jì)劃，勢(shì)必將提高排放碳成本，人們對(duì)綠色水泥的認(rèn)可程度肯定會(huì)發(fā)生積極的變化。目前可以采用一個(gè)更為實(shí)際的做法——建立示范性綠色水泥建筑物（如橋梁、道路和其他各種建筑物），以證明綠色水泥和各種混凝土材料的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。瓦西庫(kù)指出其公司每年完成數(shù)十個(gè)這樣的項(xiàng)目（如美國(guó)喬治亞州薩凡港的碼頭建筑，德州加爾維斯頓市海灣硫服務(wù)署的化學(xué)處理基地等），希望這些項(xiàng)目能發(fā)揮示范作用。