水泥如何助力減緩全球變暖

編譯 許林玉

古羅馬人對混凝土進行了改良，他們的這一遺產至今仍保留在萬神殿的宏偉屋頂上。這是世界上現存最大的非鋼筋混凝土穹頂，約建成于公元125年哈德良大帝統治時期。自那以后，每年都有大量的混凝土（目前約為300億噸）被用于澆筑建筑物、道路、橋梁、水壩和其他結構。如今，混凝土已經成為地球上使用最廣泛的建筑材料，而且需求仍在不斷增長。

從全球變暖角度來說，這卻是一個壞消息，因為與沙子、礫石和水混合制成混凝土的關鍵成分——水泥——會排放大量溫室氣體。若將各個環節計算在內，每年生產50億噸水泥產生的排放占世界人為二氧化碳排放量的8%。如果將水泥行業看作一個國家，它將是世界上第三大排放國，僅次于中國和美國。

迄今為止，幾乎沒有其他可行材料可以取代混凝土。用可再生資源木材制成的交叉層積材正受到人們的青睞，甚至已經用于建造一些高層建筑。但與混凝土相比，這種工程木材目前仍只是新興事物。因此，讓水泥行業退出歷史舞臺似乎徒勞無望。但事實并非如此，因為人們正在開發使混凝土變得更加環保的技術。將來，混凝土也許不僅不會向大氣層排放二氧化碳，還能除去大氣層中的二氧化碳。

水泥生產的初始階段產生的排放最大，其首要環節是開采主要成分為碳酸鈣（CaCO3）的石灰石。石灰石與黏土混合，并采用煅燒工藝通過一個超過1 400℃的旋轉窯。熱量可將碳和部分氧氣分離，兩者結合形成二氧化碳。剩下的塊狀物被稱為熟料，由氧化鈣和二氧化硅的分子復合物組成，統稱為硅酸鈣。然后，熟料被冷卻并碾壓成水泥。在水泥制造過程中，一半以上的排放是因煅燒而造成的，其余大部分則是因燃燒煤炭和其他化石燃料為這一過程供能產生的。總之，每生產一噸新水泥就會排放近一噸二氧化碳。

非凡物質

英國帝國理工學院的保羅·費奈爾（Paul Fennell）及其同事發表于《焦耳》（Joule）的一項研究表明，由于煅燒一定會產生二氧化碳，因此在二氧化碳進入大氣層之前將其捕集并封存起來，是水泥行業去碳化的最有效方法。捕集的二氧化碳可以封存在地下或被其他行業所利用，如用于制造合成燃料，也可以在混凝土與水混合固化時重新注入混凝土。水能促進化學反應，使水泥變硬。二氧化碳也有類似的作用，并在此過程中結合形成碳酸鈣。

事實上，與僅使用水相比，通過這種方式改變煅燒流程可使混凝土的強度更高。這樣一來，不僅原來的一些排放物得到處理，而且還可以減少特定工作中所需的水泥用量，從而進一步降低總排放量。咨詢公司麥肯錫估計，目前，逆向煅燒可以封存多達5%的水泥排放量。隨著技術的改進，預計這一比例可能上升至30%。

有數家公司開始采取這一方法生產水泥。加拿大CarbonCure公司已經在全球400多個工廠安裝了將二氧化碳注入預拌混凝土的設備。其產品已被用于建造建筑物，包括為在線零售商亞馬遜（也是CarbonCure的股東）在弗吉尼亞州阿靈頓建造的新園區，以及為通用汽車在田納西州斯普林希爾建造的電動汽車裝配廠。

目前，CarbonCure使用的二氧化碳由工業氣體公司捕集、供應。但也有企業正在開發旨在直接從水泥窯中捕集氣體的設備，如位于澳大利亞悉尼的Calix公司正在研制一種電力驅動系統。該系統從水泥窯外部而非內部間接地加熱石灰石，可以捕集到純二氧化碳，而不必凈化窯內燃料燃燒產生的氣體。因此，如果電力本身來自綠色能源，生產出來的水泥也將會完全綠色。

已經有一家采用該技術的試驗工廠順利投產。該工廠設于比利時，是歐盟研究項目的組成部分，由全球最大的水泥制造商之一德國海德堡水泥公司（Heidelberg Cement）運營。2023年，一個更大的示范工廠將在德國漢諾威投入運營，以推廣應用該項技術。

讓垃圾煥發新生

還有一種沒有那么環保的方法，即用城市和工業廢物替代窯爐中燃燒的部分煤炭。不過，這種方法仍比使用化石燃料更環保。一些企業已經采用了這種方法。例如，墨西哥建筑材料巨頭西麥斯公司（Cemex）用剝離了可回收物質的城市廢物制造一種名為Climafuel的窯爐燃料。這種燃料屬于植物性材料（生物質），其中含有豐富的碳。這些碳原本就存留于大氣中，現在只是又回歸到了大氣，而不是像化石燃料一樣被挖掘出來。西麥斯旗下的一些英國水泥廠所使用的煤炭已經有60%被Climafuel取代。

也有公司在研究如何用其他材料替代混凝土中的部分水泥。許多公司在混凝土中加入粉煤灰——這是燃煤電廠的副產品，或煉鐵高爐中的碎渣。但從長遠來看，這些方法都不具有可持續性。據英國分析公司IDTechEx的負責人、一份有關混凝土和水泥發展前景的最新報告的共同作者彼得·哈羅普（Peter Harrop）觀察，煤炭的使用正在減少，而鋼鐵生產也有望轉向更新、更清潔的技術。

對哈羅普博士來說，該解決方案的重點在于通過“技術手段”，減少特定工作中所需的混凝土用量，包括添加合成纖維和天然纖維，甚至是石墨烯。后者由單層碳原子片組成，其強度比鋼鐵更高，僅需少量便可產生可觀效益。

有了石墨烯和其他加固材料，就可以獲得超高性能的新型混凝土。哈羅普博士認為，這種新型混凝土特別適用于3D打印。在機器人的控制下進行3D打印，可構造出精確的材料層，并大大減少浪費。在未來20年，水泥產量似乎有翻番的趨勢。在這一背景下，他補充說：“大幅減少水泥用量是解決問題的關鍵。”

添加劑還可以延長混凝土的使用壽命，并降低維護需求。在美國密歇根大學，李志輝（Victor Li）與其同事使用合成纖維和天然纖維并注入二氧化碳，生產出一種可彎曲的混凝土，他們稱之為高延性水泥基復合材料（ECC）。這種材料的內部結構的靈感來自珍珠層。珍珠層是一種通常被稱為“珍珠母”的柔性材料，位于鮑魚和牡蠣等軟體動物的外殼內側。

為混凝土賦予這種柔性，可以讓橋梁和道路更輕松地應對繁重的交通，并提高高層建筑的抗震能力。ECC在老化時只出現微小的表面裂縫。因此，李博士說，它能更好地將水擋在外面，防止內部鋼筋遭到腐蝕。而這種腐蝕可能導致鋼筋混凝土結構在建成后的幾年內崩裂，有時甚至會導致鋼筋混凝土結構坍塌。

歸零與超越

材料替代技術仍有發展空間。美國新澤西州Solidia公司制造的水泥含有硅酸鈣，其二氧化硅與氧化鈣的比例高于標準的“波特蘭”水泥。這帶來了兩大利好消息：首先，由于Solidia公司的工藝比傳統煅燒所需的熱量更少（所以消耗的化石燃料也更少），因此排放的二氧化碳更少。其次，當Solidia生產的硅酸鹽水泥混合成混凝土時，由于二氧化硅含量較高，因此與普通水泥相比，它可以通過使用捕集的二氧化碳而不是水來縮短固化時間。Solidia公司正在與其投資者之一、瑞士建筑材料巨頭拉法基-霍爾西姆公司攜手研發該款水泥的應用。

得益于所有這些發展，混凝土的環保性將到達何種程度？費奈爾博士表示，通過更好地利用能源并對材料進行改性，輕而易舉就能將該行業每噸混凝土的二氧化碳排放量減少至目前水平的80%左右。如果公司改用主要或完全由生物質能（如木材）供能的窯爐，他們就能真正實現這一目標。目前，混凝土中的碳仍然來自空氣中的二氧化碳。如果在窯爐中燃燒后又變成了這種氣體，并被封存起來而不是排放出去，那么，隨著新樹木的生長以取代那些被消耗的木材，最終將實現碳在大氣中的凈流動。

這種系統被稱為生物質能碳捕捉與封存（BECCS），是氣候建模者想象出來的實現凈零排放或凈負排放目標所需的一種方式。人們經常提及基于BECCS的發電技術，但BECCS實際上可能更適合于水泥生產，因為在注重環保的今天，相關企業會配備二氧化碳捕集設備，用于處理煅燒產物。如果情況真如所愿，遭受全球變暖之患的人類或許可以通過幫助減輕對地球造成的破壞來救贖自己，從而像古羅馬人一樣為后代留下一份令人印象深刻的遺產。

資料來源 The Economist