綠色新型水泥

水泥是促進人類文明發展的一種關鍵原材料，從具有2000 年歷史的古羅馬萬神殿藝術品，到現代摩天大樓、高速公路、機場和碼頭等，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僅次于水。《自然》雜志 2 月20日刊登題為《綠色水泥—混凝土方案》的文章指出，今年全球水泥總產量將達 34 億噸。若將其全部傾注于美國紐約州曼哈頓島上，將堆積成一個高達 14 米的巨型石柱。如果目前印度、中國等發展中國家建筑業的興旺勢頭持續下去，明年全球水泥產量所堆積的巨石柱將會更高。然而，水泥制造業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、最為復雜的建筑材料。文章詳盡介紹了美國麻省理工學院混凝土可持續發展中心（簡稱 CSHub）在綠色水泥研究方面的新進展，以及 Ceratech 公司的替代性解決方案，認為如果世界各國工業界目前業已采取的促進綠色水泥可持續性發展的行動取得成功，最終將能使水泥制造業的二氧化碳排放總量減少一半。

工業革命的基礎性材料

粉狀水硬性無機凝膠材料，加水攪拌后成漿體，它能在空氣或水中硬化，并能把砂、石等材料牢固地膠結在一起。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、紀念碑、萬神殿和羅馬圓形大劇場等建筑物。

1824 年，英國石匠約瑟夫·阿斯普丁發明了現代水泥。他在廚房里加熱一種經研磨的石灰巖和黏土混合物，當加入水后這種混合物板結硬化，工業革命的基礎性材料就此誕生！當年，他以“人造新式石頭工藝的改進”注冊了這項發明專利。從表面上看與產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。

現代水泥的生產工藝一般可分為生料制備、熟料煅燒和水泥制成三個工序。硅酸鹽水泥生產工藝在水泥生產中具有代表性，它是以石灰石和黏土為主要原料，經破碎、配料、磨細制成生料，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）磨細而成。

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

既普通又最為復雜的物質

對于探尋減少排放途徑的研究人員來說，更為糟糕的是，水泥并不僅僅是一種產量巨大的普通商品，它也是材料科學中已知最為復雜的物質之一。

CSHub 成立于 2009 年，是目前全球極力倡導打造“綠色”水泥的著名學術機構之一。5 年來工業界共為其提供了1000 萬美元的研究經費，中心現有 12 位主要研究人員，致力于研究水泥各種結構的功能和其量子力學性能。該中心主任、水泥化學專家哈姆林·詹寧斯認為，在分子層面上對水泥制造過程進行詳盡研究是一項艱辛的工作。

詹寧斯指出，對于水泥的結構和成分、它與水混合后發生怎樣的反應，以及被澆鑄到模具后的形成過程等一系列問題，“我們依然沒有搞清楚其中某些最為基本的問題。實際上，我們不太了解這些東西變硬的化學過程。在人類使用的所有建筑材料中，沒有一個像波特蘭水泥這樣，我們對其知之甚少?！泵绹鴩覙藴逝c技術研究院水泥專家肯內斯·辛德爾也說：“當水接觸到水泥粉時，究竟發生了什么？其詳情如何？這是目前爭論最為激烈的焦點?！?/p>

然而，隨著碳稅和限量與交易市場等減排措施的不斷推進和深化，世界各國的工業界已經行動起來，采取了一些積極的行動，例如大力支持相關基礎研究、推動改革國際建筑規范等，以促進綠色水泥的發展。如果這些行動取得成功，最終將使水泥制造業的二氧化碳排放總量減少一半。

奇特的混合物

生產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：“這兩種物質分別都有各自的化學成分和一些雜質。將混合物喂入窯中煅燒，溫度達到約攝氏 1500 度時將發生各種反應，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（大多數來自于黏土）和氧化鈣（即生石灰）。在生石灰的形成過程中，石灰石中的碳酸鈣向大氣中排放二氧化碳。這個過程中的二氧化碳排放是水泥生產工藝中溫室氣體排放的主要來源，此外，煅燒過程中燃料消耗是另一個來源。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，并根據特定用途(如用于橋墩、鋪路等)來配制其稠度。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。然后將混凝土漿運輸到建筑工地和澆注于模具中，它很快便開始硬化，但完全凝固可能會耗時數月。

詹寧斯說：“對該問題進行大量研究后所發現的奇跡之一就是，在最初幾個小時內混合物以流體狀態存在，之后同時發生的一系列劇烈化學反應便開始產生一些新物質，這些新物質能使水泥逐漸硬化?！逼渲校戏磻獙ψ罱K材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉變為人造石頭——水化硅酸鈣（即 C–S–H）。CSHub 物理化學家羅蘭德·佩林克說：“地球上所有建筑都依賴于這種由液態轉變為石頭的過程。”

但佩林克指出，水化硅酸鈣是一個極其不精確的化學式，其成分沒有固定的比例。在既定的硬化混凝土樣品中，這種反應產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程的難度。

調整配方打造綠色水泥

要打造綠色水泥，實現減排目標，就需要設法減少水泥生產過程中的兩個主要排放源。從技術角度來講，起碼有兩個選擇：一是選擇煅燒過程中二氧化碳排放量少的替代性配料，甚至是無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，盡管面臨上述挑戰，他和同事們在降低二氧化碳排放方面依然取得了一些進展，其中很有希望的一個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是硅酸三鈣和硅酸二鈣，它們是水泥熟料中能產生 C–S–H 的兩種主要礦物成分。相比之下，硅酸三鈣更具活性，其水化反應快，在加入水后數小時就開始硬化（形成混凝土的早期強度）。但是硅酸三鈣的形成條件要求煅燒溫度完全達到 1500 攝氏度，而硅酸二鈣所要求的溫度約為 1200 攝氏度。雖然硅酸二鈣的強度更好些，但需要在數天甚至數月之后才能開始硬化過程，因而不宜適用于建筑項目。佩林克和其同事正在研究，某些硅酸二鈣晶體結構是否具有硅酸三鈣同樣的活性，以便降低煅燒溫度，節約燃料。

解決該問題需要從原子量級上入手（如晶體中的電子分布情況等），研究人員通過量子力學方法來計算鋁、鎂和其他雜質如何影響 C–S–H 的結構。佩林克指出：“為了對水泥熟料進行量子工程學研究，就需要知道電子究竟在哪里?！盋SHub 的研究人員發現，硅酸三鈣晶體總有一個平面相對更易溶解于水，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生反應。這就是硅酸二鈣的硬化速度較硅酸三鈣慢的原因。但佩林克認為這一結果也暗示某些雜質（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引起一些新問題。CSHub 工程師弗雷茲-約瑟夫·尤爾瑪的研究團隊發現，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生反應生產水泥。

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生 7000 萬噸粉煤灰，其中絕大部分被存儲或由廢棄物填埋場處理。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程，因此公司認為粉煤灰水泥石沒有碳污染。

雖然某些水泥生產商數年前就已采用含有粉煤灰的混合物生產水泥，但其粉煤灰的比例只有 15%。Ceratech 公司行政副總裁馬克·瓦西庫指出，按照公司開發的新配方，粉煤灰比例高達 95%，其余 5% 為液態添加劑。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土其強度高于各類傳統水泥，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，使用該公司生產的粉煤灰水泥可以大大減少混凝土和加強型鋼筋的使用量——能分別減少 183 立方米和34 噸。同時也能使廢棄物填埋場減少粉煤灰處理量 374 噸，二氧化碳減排效益可達 320 噸。

綠色水泥沒有坦途

瓦西庫說，目前 Ceratech 在水泥行業只是一個小不點，對于年產規模以億噸來計量的水泥制造業來講，其貢獻對總體減排重任來說只是“杯水車薪”。只有當建筑行業數以千計的生產商、工程師、建筑師、城市規劃者、建筑監察員等都能以積極的態度對待綠色水泥時，才能實現大規模的減排效益。從經濟效益等角度來考慮，相對于經過長期檢驗的傳統水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風險，只有在上述條件下這種風險才會降低。美國國家標準與技術研究院水泥專家辛德爾調侃說，這種擔憂就是“如果此路不通，老板將會打我板子”。

詹寧斯也強調指出，水泥工業的經濟重要性日漸提升，其在科學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：“世界正在改變，將需要每一個人（包括所有的水泥公司）都盡可能地更加環保，并設法讓世界變得更加美好?！?/p>

展望未來，如果更多國家采用碳稅或者限量與交易計劃，勢必將提高排放碳成本，人們對綠色水泥的認可程度肯定會發生積極的變化。目前可以采用一個更為實際的做法——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際應用價值。瓦西庫指出其公司每年完成數十個這樣的項目（如美國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署的化學處理基地等），希望這些項目能發揮示范作用。