绿色水泥能否擎起一片蓝天

　　若将今年全球预期生产的水泥以某种方式倾注到美国纽约的曼哈顿岛上，这34亿吨的水泥会凝固成一个约14米高的庞然巨石。考虑到像中国和印度这样的发展中国家的建筑业正在急速发展，如果将明年全年的水泥倾注凝固，这个石块会更大。水泥是人类文明发展中一种至关重要的原材料，可以将有2000年历史的罗马万神庙文物和现代摩天大楼及高速公路维系起来。

　　然而它对地球的气候来说却是不幸的。如今这种材料最广泛的使用形式波特兰水泥是在大窑炉中焙烧石灰石和粘土形成的，每生成1吨波特兰水泥，就会有近1吨二氧化碳排放到空气中。在人为排放的温室气体中，大约有5%来自于波特兰水泥的生产。

　　更糟糕的是，研究人员在寻找方法以减少温室气体排放时发现，水泥不仅是大批量使用的一种司空见惯的商品，更是材料科学中一种有着最复杂结构的物质。从它的结构组成到其与水混合发生反应并在模具中成形的过程，“科学家还不能对有些关于水泥最基本的问题进行解答”，美国麻省理工学院（MIT）混凝土可持续发展中心（CSHub）主任Hamlin Jennings说。

　　“水和水泥粉末接触发生反应的细节是具有争议性的。”美国国家标准与技术研究所的水泥专家Kenneth Snyder说，“关于这个问题的争论，简直像是宗教战争。”

　　尽管如此，碳税以及总量限制和排放交易市场的前景使全世界的水泥生产商开始采用绿色或可持续发展的水泥项目。它们的措施包括支持基础研究来推动国际建筑规范改革，一旦成功，最终将会使水泥行业的二氧化碳足迹减少一半。

　　CSHub是该领域全球最大的学术研究中心之一。它于2009年建立，5年来行业赞助商资助了1000万美元。目前，CSHub由12名主要调查员组成，他们对水泥进行研究从其不同结构的功能到其量子机械性能。Jennings说，这并不容易，因为在分子层面分析水泥的各种反应是很难的。

　　水泥是怎样出炉的

　　水泥制作过程开始时，石灰石和铝硅酸盐粘土混合在一起，两者都有各自的化学特性和杂质，在1500℃高温的窑炉中，它们以多种方式相互作用。这个过程中会出现浅灰色、弹珠大小的“熟料”。熟料包括硅、铁、铝氧化物（主要来自于粘土）和钙的氧化物（它是在高温导致石灰石中的碳酸钙释放二氧化碳时产生的）。这里的二氧化碳是整个反应过程释放的二氧化碳的主要来源；其他来自于加热窑炉所用的燃料。熟料冷却后便会和石膏（其用量决定了水泥形成的速度）结合，并被磨成颗粒大小一致的粉状物，最后分配给混凝土搅拌厂。

　　在搅拌厂，水泥与水混合后具有黏性，根据其用途会有具体调整比如，桥打桩或路面工程对材料会有不同的用途。最常见的是将其与砂、砾石或更大石块混合形成混凝土。然后，混凝土砂浆被卡车运到施工现场，倾注到模具里，它会很快开始凝固，但是完全凝固需要几个月的时间。

　　Jennings说：“研究的一个热点在于，在剧烈的同步化学反应产生催化剂后，该混合物在最初的几个小时是可以流动的。”对最终产物最重要的是水和熟料粉发生水化反应后变成人造石的过程，该人造石是硅酸钙水合物（CaO-SiO2-H2O，或C-S-H）。“地球上所有的建筑都依赖于这个由液体到石头的转变过程。”CSHub的物理化学家Roland Pellenq说。

　　但是Pellenq表示，C-S-H是一个并不精确的化学式。它没有表现出各种元素的比例，而且反应产物取决于最初的用料、水的用量、钙硅比例以及添加剂、污染物、温度和湿度。当然，混凝土是不透明的，这也增加了分析C-S-H的难度。

　　调整配方

　　Pellenq表示，尽管存在这些挑战，他和CSHub的同事在碳排放难题研究上也取得了一定的进展。其中一个较有前景的攻克方式是降低窑炉温度，从而燃烧较少的燃料。其主要目标是硅酸三钙石和斜硅钙石，它们是生成C-S-H的熟料的两种原生矿物。硅酸三钙石（Ca3SiO5）更有活性在加入水后几个小时内就开始凝固，使混凝土开始变硬。然而，硅酸三钙石需要完全达到1500℃才能形成，而斜硅钙石（Ca2SiO4）的形成需要约1200℃。斜硅钙石最终会更坚固，但是需要很多天甚至几个月才能慢慢变硬由于耗时太长，因此不能在建筑物中单独使用斜硅钙石。

　　Pellenq及其同事正在调查一些较低的窑炉温度是否能形成和硅酸三钙石活性差不多的斜硅钙石晶体结构，这样可以节省燃料。

　　由于能否解决这个问题取决于原子层面的要求，例如晶体中的电子分布，因此研究人员进行了C-S-H的结构怎样受铝、镁及其他杂质影响的量子力学计算。正如Pellenq所说：“要想完成量子熟料工程，你需要知道电子在哪里。”CSHub的研究人员发现，硅酸三钙石晶体中总有一面比其他面更容易溶于水，而在斜硅钙石晶体中，所有面都是一样的且其晶体在水中活性会减弱。这就是为什么斜硅钙石比硅酸三钙石凝固得更慢。但是Pellenq表示，研究也发现，一些杂质，比如镁，可以帮助斜硅钙石更容易溶于水。这可能会使斜硅钙石在作为建筑水泥的主要成分时凝固得更快。

　　然而，对低温斜硅钙石的研究也产生了新的问题。CSHub的机械工程师Franz-Josef Ulm和他的团队发现，将斜硅钙石磨成粉末状要比硅酸三钙石多使用4到9倍的能量，这会抵消使用富含斜硅钙石的熟料所节省的能量。

　　其他的机构，比如弗吉尼亚州亚历山大市的水泥公司Ceratech正在寻找常规熟料的替代方法。该公司从古罗马工程师在2000年前使用的水泥中找到了灵感。其主要原料是一种火山灰，可以与水反应生成水泥因此具有天然熟料的功能。Ceratech公司正在开发可以在工业上使用的火山灰：粉煤灰，这是一种从燃煤发电厂的燃烧气体中过滤出的细颗粒。美国工厂每年产出大约7000万吨的粉煤灰，大部分都被垃圾填埋场储存或处理掉了。Ceratech公司通过结合一些专用液体添加剂，将其转化成水泥颗粒。由于该过程不需要加热，因此Ceratech公司称这种粉煤灰水泥是碳中性的。

　　大有希望

　　Ceratech公司的执行副总裁Mark Wasiko称，尽管多年来混凝土搅拌厂所使用的混合物含有15%的粉煤灰，但Ceratech公司的混合物中却含有95%的粉煤灰和5%的液体原料。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土比传统混凝土更加坚固，因此设计师可以减少用量。该公司称，在一个典型的3层、4600平方米的建筑中，使用粉煤灰水泥可以少使用183立方米的混凝土和34吨钢筋；它还可以清除垃圾填埋场中374吨的粉煤灰，并减少二氧化碳排放320吨。

　　Wasiko说，目前Ceratech公司只是水泥产业中的一个很小的组成部分，它致力于减少碳排放的努力只是沧海一粟。大量的碳减排只能来自于建筑行业中千千万万个生产者、工程师、建筑师、城市规划者和建筑检查员对下一代水泥行业的改进，这意味着通过实践来减少使用环保水泥的风险。使用环保水泥的道路应该像这样：“如果这条路走不通，我的老板会锤死我。”Snyder说。

　　只有更多国家实施碳税及总量限制和排放交易计划，增加碳排放成本，人们的态度才会逐渐转变。不过一个更实际的短期方法是修建示范性建筑，如桥梁、道路和建筑物等，从而证明新型水泥和混凝土结构的可行性。Wasiko称，他希望每年公司实施的项目，比如佐治亚州萨凡纳港的码头建筑，以及得克萨斯州加尔维斯顿市为海湾硫服务署修建的化学处理基地等都可以实现这一目的。

　　水泥行业有足够的理由在环保的路上继续探索前行。而就在你阅读这篇文章所花费的8分钟左右的时间里，水泥制造商又将3万吨二氧化碳排放到了空气中。