绿色新型水泥

　　水泥是促进人类文明发展的一种关键原材料，从具有2000年历史的古罗马万神殿艺术品，到现代摩天大楼、高速公路、机场和码头等，到处都可看到它的踪迹。就从总体积而言，水泥在全世界的使用量仅次于水。《自然》杂志2月20日刊登题为《绿色水泥——混凝土方案》的文章指出，今年全球水泥总产量将达34亿吨。若将其全部倾注于美国纽约州曼哈顿岛上，将堆积成一个高达14米的巨型石柱。如果目前印度、中国等发展中国家建筑业的兴旺势头持续下去，明年全球水泥产量所堆积的巨石柱将会更高。然而，水泥制造业是温室气体的主要排放源之一，减少排放意味着需要妥善掌控这种用途广泛、最为复杂的建筑材料。文章详尽介绍了美国麻省理工学院混凝土可持续发展中心(简称CSHub)在绿色水泥研究方面的新进展，以及Ceratech公司的替代性解决方案，认为如果世界各国工业界目前业已采取的促进绿色水泥可持续性发展的行动取得成功，最终将能使水泥制造业的二氧化碳排放总量减少一半。

　　工业革命的基础性材料

　　粉状水硬性无机凝胶材料，加水搅拌后成浆体，它能在空气或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地胶结在一起。早在2000多年前，古罗马人把石灰、火山灰以及石块掺在一起形成混凝土，用于建造海港、纪念碑、万神殿和罗马圆形大剧场等建筑物。

　　1824年，英国石匠约瑟夫·阿斯普丁发明了现代水泥。他在厨房里加热一种经研磨的石灰岩和黏土混合物，当加入水后这种混合物板结硬化，工业革命的基础性材料就此诞生！当年，他以“人造新式石头工艺的改进”注册了这项发明专利。从表面上看与产自波特兰岛上的建筑流行石料相似，阿斯普丁便将这种材料命名为“波特兰水泥”，这就是目前人类最广泛使用的建筑材料——硅酸盐水泥。

　　现代水泥的生产工艺一般可分为生料制备、熟料煅烧和水泥制成三个工序。硅酸盐水泥生产工艺在水泥生产中具有代表性，它是以石灰石和黏土为主要原料，经破碎、配料、磨细制成生料，然后喂入水泥窑中煅烧成熟料，再将熟料加适量石膏(或添加剂等)磨细而成。

　　不幸的是，采用这种生产工艺，每生产1吨水泥就要向大气中排放1吨二氧化碳。世界各国水泥制造业所排放的二氧化碳，约占全球温室气体排放总量的5%；在美国，水泥制造业的二氧化碳排放量居第三位，仅次于油燃料消费(用于交通、电力、化工制造等)和钢铁工业。

　　既普通又最为复杂的物质

　　对于探寻减少排放途径的研究人员来说，更为糟糕的是，水泥并不仅仅是一种产量巨大的普通商品，它也是材料科学中已知最为复杂的物质之一。

　　CSHub成立于2009年，是目前全球极力倡导打造“绿色”水泥的著名学术机构之一。5年来工业界共为其提供了1000万美元的研究经费，中心现有12位主要研究人员，致力于研究水泥各种结构的功能和其量子力学性能。该中心主任、水泥化学专家哈姆林·詹宁斯认为，在分子层面上对水泥制造过程进行详尽研究是一项艰辛的工作。

　　詹宁斯指出，对于水泥的结构和成分、它与水混合后发生怎样的反应，以及被浇铸到模具后的形成过程等一系列问题，“我们依然没有搞清楚其中某些最为基本的问题。实际上，我们不太了解这些东西变硬的化学过程。在人类使用的所有建筑材料中，没有一个像波特兰水泥这样，我们对其知之甚少。”美国国家标准与技术研究院水泥专家肯内斯·辛德尔也说：“当水接触到水泥粉时，究竟发生了什么？其详情如何？这是目前争论最为激烈的焦点。”

　　然而，随着碳税和限量与交易市场等减排措施的不断推进和深化，世界各国的工业界已经行动起来，采取了一些积极的行动，例如大力支持相关基础研究、推动改革国际建筑规范等，以促进绿色水泥的发展。如果这些行动取得成功，最终将使水泥制造业的二氧化碳排放总量减少一半。

　　奇特的混合物

　　生产水泥的第一步是将石灰石和铝硅酸盐黏土这两种配料混合在一起。詹宁斯说：“这两种物质分别都有各自的化学成分和一些杂质。将混合物喂入窑中煅烧，温度达到约摄氏1500度时将发生各种反应，最后形成略带灰色的、体积如大理石般的厚块——水泥熟料，它含有硅、铁、氧化铝(大多数来自于黏土)和氧化钙(即生石灰)。在生石灰的形成过程中，石灰石中的碳酸钙向大气中排放二氧化碳。这个过程中的二氧化碳排放是水泥生产工艺中温室气体排放的主要来源，此外，煅烧过程中燃料消耗是另一个来源。待水泥熟料冷却后，将它与石膏混合(其用量将决定水泥的凝固速度)，然后再被碾磨成粉末配送到搅拌厂。”

　　在搅拌厂里，水泥粉与水混合后形成浆状，并根据特定用途(如用于桥墩、铺路等)来配制其稠度。通常的做法是，将浆状物与砾石、或较大的石块混在一起形成混凝土。然后将混凝土浆运输到建筑工地和浇注于模具中，它很快便开始硬化，但完全凝固可能会耗时数月。

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　　詹宁斯说：“对该问题进行大量研究后所发现的奇迹之一就是，在最初几个小时内混合物以流体状态存在，之后同时发生的一系列剧烈化学反应便开始产生一些新物质，这些新物质能使水泥逐渐硬化。”其中，水合反应对最终材料的形成非常重要，它将水和粉末状水泥熟料转变为人造石头——水化硅酸钙(即C–S–H)。CSHub物理化学家罗兰德·佩林克说：“地球上所有建筑都依赖于这种由液态转变为石头的过程。”

　　但佩林克指出，水化硅酸钙是一个极其不精确的化学式，其成分没有固定的比例。在既定的硬化混凝土样品中，这种反应产物取决于很多种因素：包括最初用料、掺水量、钙和硅之间的比例，以及添加剂、温度和湿度等。此外，混凝土的不透明特性也增加了分析其形成过程的难度。

　　调整配方打造绿色水泥

　　要打造绿色水泥，实现减排目标，就需要设法减少水泥生产过程中的两个主要排放源。从技术线路角度来讲，起码有两个选择：一是选择煅烧过程中二氧化碳排放量少的替代性配料，甚至是无需煅烧的材料直接作为熟料；二是选择煅烧温度较低的配料，以减少燃料消耗量。

　　佩林克说，尽管面临上述挑战，他和同事们在降低二氧化碳排放方面依然取得了一些进展，其中很有希望的一个研究途径就是寻找各种方法以降低煅烧温度。目前研究的主要目标是硅酸三钙和硅酸二钙，它们是水泥熟料中能产生C–S–H的两种主要矿物成分。相比之下，硅酸三钙更具活性，其水化反应快，在加入水后数小时就开始硬化(形成混凝土的早期强度)。但是硅酸三钙的形成条件要求煅烧温度完全达到1500摄氏度，而硅酸二钙所要求的温度约为1200摄氏度。虽然硅酸二钙的强度更好些，但需要在数天甚至数月之后才能开始硬化过程，因而不宜适用于建筑项目。佩林克和其同事正在研究，某些硅酸二钙晶体结构是否具有硅酸三钙同样的活性，以便降低煅烧温度，节约燃料。

　　解决该问题需要从原子量级上入手(如晶体中的电子分布情况等)，研究人员通过量子力学方法来计算铝、镁和其他杂质如何影响C–S–H的结构。佩林克指出：“为了对水泥熟料进行量子工程学研究，就需要知道电子究竟在哪里。”CSHub的研究人员发现，硅酸三钙晶体总有一个平面相对更易溶解于水，但在硅酸二钙晶体中，所有晶面都很相似，因而其晶体不易与水发生反应。这就是硅酸二钙的硬化速度较硅酸三钙慢的原因。但佩林克认为这一结果也暗示某些杂质(如镁等)有助于硅酸二钙溶解于水，这将能加快硅酸二钙的硬化过程，从而成为建筑水泥的主要成分。

　　如果采用煅烧温度较低的硅酸二钙可能会引起一些新问题。CSHub工程师弗雷兹-约瑟夫·尤尔玛的研究团队发现，与硅酸三钙相比，将硅酸二钙碾磨成粉末需要多消耗4倍到9倍的能量，这将降低采用富含硅酸二钙熟料的减降排效果。

　　美国弗吉尼亚州亚历山大市的一家小型水泥公司Ceratech则另辟蹊径——致力于寻求替代传统水泥熟料的解决方案。该公司从古罗马工程师们2000年前使用的水泥中获得灵感——采用火山灰作为天然水泥熟料，在火山灰中掺水使其发生反应生产水泥。

　　Ceratech公司正在利用粉煤灰(从煤电厂排放的燃烧气体中滤出的微粒)作为水泥熟料。全美的煤电厂每年大约产生7000万吨粉煤灰，其中绝大部分被存储或由废弃物填埋场处理。Ceratech公司在粉煤灰掺入若干种添加剂，然后将其用作水泥粉。这种工艺不需要加热过程，因此公司认为粉煤灰水泥石没有碳污染。

　　虽然某些水泥生产商数年前就已采用含有粉煤灰的混合物生产水泥，但其粉煤灰的比例只有15%。Ceratech公司行政副总裁马克·瓦西库指出，按照公司开发的新配方，粉煤灰比例高达95%，其余5%为液态添加剂。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土其强度高于各类传统水泥，因而可以减少建筑物的水泥使用量。以一座面积为4600平方米、典型的三层建筑物为例，使用该公司生产的粉煤灰水泥可以大大减少混凝土和加强型钢筋的使用量——能分别减少183立方米和34吨。同时也能使废弃物填埋场减少粉煤灰处理量374吨，二氧化碳减排效益可达320吨。

　　绿色水泥没有坦途

　　瓦西库说，目前Ceratech在水泥行业只是一个小不点，对于年产规模以亿吨来计量的水泥制造业来讲，其贡献对总体减排重任来说只是“杯水车薪”。只有当建筑行业数以千计的生产商、工程师、建筑师、城市规划者、建筑监察员等都能以积极的态度对待绿色水泥时，才能实现大规模的减排效益。从经济效益等角度来考虑，相对于经过长期检验的传统水泥，选择绿色水泥目前有一定的风险，只有在上述条件下这种风险才会降低。美国国家标准与技术研究院水泥专家辛德尔调侃说，这种担忧就是“如果此路不通，老板将会打我板子”。

　　詹宁斯也强调指出，水泥工业的经济重要性日渐提升，其在科学上的重要性也在不断提高，研究人员需要努力探索各种更好的方案。他说：“世界正在改变，将需要每一个人(包括所有的水泥公司)都尽可能地更加环保，并设法让世界变得更加美好。”

　　展望未来，如果更多国家采用碳税或者限量与交易计划，势必将提高排放碳成本，人们对绿色水泥的认可程度肯定会发生积极的变化。目前可以采用一个更为实际的做法——建立示范性绿色水泥建筑物(如桥梁、道路和其他各种建筑物)，以证明绿色水泥和各种混凝土材料的实际应用价值。瓦西库指出其公司每年完成数十个这样的项目(如美国乔治亚州萨凡港的码头建筑，德州加尔维斯顿市海湾硫服务署的化学处理基地等)，希望这些项目能发挥示范作用。