它應(yīng)該是人類最熟悉的人造建材了,不論是兩千年前的羅馬萬神殿,還是現(xiàn)代都市隨處可見的摩天樓和高速公路,離開了水泥都不可能完成。如果將全世界一年生產(chǎn)的水泥都倒在北京二環(huán)以內(nèi),我們會得到一塊重34億噸、約14米厚的巨石。而且這塊巨石的體積,每年都在增大,這主要?dú)w功于中國和印度兩個超級建設(shè)大國。
這種建材的優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的:廉價、操作簡便,而且奇跡般地堅(jiān)如磐石??上У氖?,它也是造成溫室效應(yīng)的最大元兇之一。全球每年的碳排放中,有5%是在制造水泥的過程中貢獻(xiàn)的。以最常用見的硅酸鹽水泥為例,這種用石灰石加粘土在窯爐里煅燒出來的水泥,每生產(chǎn)一噸成品,向大氣排放的二氧化碳也接近一噸(約940千克)。
2000多年前,羅馬人發(fā)現(xiàn)把石灰、火山灰、水和石塊摻在一起后,可以凝固成非常堅(jiān)固的物體,用它建造出的海港、紀(jì)念碑和各種建筑物可以長久地屹立不倒。到了19世紀(jì)20年代,英國一位名叫約瑟夫·阿斯普丁(JosephAspdin)的石匠師傅在廚房里將研磨過的石灰?guī)r跟粘土混合在一起,將它們加熱,又加入水以后,發(fā)現(xiàn)這種混合物居然板結(jié)硬化了,看上去跟英國波特蘭島上產(chǎn)的建筑石料很相像。后來他將這種材料命名為“波特蘭水泥”,并申請了專利。從此,這種水泥的運(yùn)用越來越廣泛,幾乎成了現(xiàn)代水泥的代名詞。
制造水泥的關(guān)鍵配料是石灰?guī)r和鋁矽酸鹽粘土,它們各自含有不同的化學(xué)成分和雜質(zhì)。在將它們加熱煅燒的過程中,粘土中的化學(xué)物質(zhì)會形成硅、鐵和鋁的氧化物,而石灰?guī)r因?yàn)楹胸悮ゎ惡Q笊锪粝碌奶妓徕},里面的二氧化碳會被高溫驅(qū)逐出去,剩下鈣氧化物。這部分被驅(qū)逐的二氧化碳,以及高溫煅燒時燃料所排放的二氧化碳,就是水泥制造過程中大量碳排放的來源。
在碳排放的代價日益昂貴的今天,無數(shù)的大公司都在為科研機(jī)構(gòu)傾注資金,希望找到一個為水泥減碳的方法。麻省理工的混凝土可持續(xù)發(fā)展中心(CSHub)是全球研究水泥最權(quán)威的機(jī)構(gòu)之一。自從2009年創(chuàng)立以來,這個擁有十多個贊助廠商的機(jī)構(gòu)籌集的資金已經(jīng)超過了1000萬美元。
“盡管水泥是一種再常見不過的東西,但至今為止,我們對它的產(chǎn)生原理卻知之甚少?!盋SHub的負(fù)責(zé)人哈姆林·詹寧斯說?!耙坏┧喾劢佑|到水以后,內(nèi)部會發(fā)生一系列環(huán)環(huán)相扣的反應(yīng),這些反應(yīng)是非常微妙又復(fù)雜的,至今沒有人能準(zhǔn)確地破譯出來。專家們在這個問題上的爭論,其猛烈程度簡直可以媲美宗教戰(zhàn)爭?!?/p>
按下葫蘆浮起瓢
在他們看來,水泥最神秘的一點(diǎn)就是,它混合水以后的泥漿可以在開始幾小時內(nèi)維持液態(tài),然后在內(nèi)部同時發(fā)生一系列激烈的化學(xué)反應(yīng),最后變成固體。“我們可以肯定的是,最后的成品是一種水化硅酸鈣(CaO–SiO2–H2O,或是C–S–H)。但這中間的過程到底發(fā)生了什么呢?”CSHub研究所的物理化學(xué)家羅南·佩靈格說。
“水硅酸鈣其實(shí)是一種成分不固定的物質(zhì),每種成分的比例并不確定。生成它的過程中,無論是水、鈣、硅、其他雜質(zhì)的比例,還是溫度和濕度,都會影響最終的成品構(gòu)成。而且我們都知道,水泥塊是個不透明的東西,這又增加了研究的難度。”
盡管如此,佩靈格和同事們還是有了一些思路。一個降低碳排放的辦法就是,降低煅燒所需的溫度,從而減少燃料的消耗?!澳壳皝碚f,有兩種原生礦物可以形成水硅酸鈣:硅酸三鈣石(Ca3SiO5)和斜硅鈣石(Ca2SiO4)。硅酸三鈣石需要在1500度的高溫下才能形成,而它在加水幾小時后,就會開始變硬。硅酸三鈣石呢,需要的溫度比較低,是1200度,而且硬化后的成品更加堅(jiān)固。但它的固化過程需要好幾天甚至好幾個月,因此沒有辦法單獨(dú)使用?!?/p>
如果能將硅酸三鈣石的固化速度,與斜硅鈣石的形成溫度結(jié)合起來,就能減少煅燒的燃料了。但這不是個簡單的問題?!耙鼈兊男纬稍砗蛥^(qū)別,你就必須搞清楚兩者晶體中的電子分布情況,這已經(jīng)涉及到原子級別的細(xì)節(jié)了?!贝送猓麄冞€需要運(yùn)用量子力學(xué)原理,計(jì)算出水硅酸鈣的結(jié)構(gòu)是怎樣被鋁、鎂和其他雜質(zhì)所影響的。比如,鎂可以幫助斜硅鈣石更容易溶于水,這樣也許能提高它的固化速度。
而另一方面,這種思路又帶來了新問題。因?yàn)樗嘣显陟褵?,冷卻下來的爐渣要跟石膏以一定比例混合,打碎成均勻的粉末,然后再運(yùn)到建筑工地上,跟水、沙子、碎石等混合在一起使用。CSHub研究所的機(jī)械工程師佛朗茲·喬瑟夫發(fā)現(xiàn),打碎斜硅鈣石爐渣所需要的能量要比硅酸三鈣石高出4到9倍,也就是說,燃燒它時減少的碳排放,在磨粉的過程中又被抵消了一部分。
石灰?guī)r的替代品
如果降低煅燒溫度有難度的話,能不能從另一個二氧化碳排放源下手,直接減少甚至取代掉石灰?guī)r呢?倫敦帝國大學(xué)的環(huán)境工程專家尼古拉斯·瓦拉斯普魯斯正是從這方面入手的。
“我曾經(jīng)看過澳大利亞的一份研究,他們在波特蘭水泥中加入了氧化鎂,用它取代一部分石灰?guī)r。因?yàn)檫@樣可以大大降低煅燒溫度。但很可惜,氧化鎂是通過加熱碳酸鎂而產(chǎn)生的,這個過程本身就排放出了二氧化碳。在某些檢測中,生產(chǎn)這種水泥的碳排放總量甚至是之前的兩倍?!?/p>
但他從這種不成功的嘗試中看到了另一種可能性:尋找一種既有氧化鎂的特性,又不會排放出二氧化碳的物質(zhì)來取代石灰?guī)r?!拔议_始考慮硅酸鎂,它不含碳原素,可以從滑石、蛇紋石、橄欖石中提取,全世界的總供給量有10萬億噸?!蓖呃蛊蒸斔乖趯?shí)驗(yàn)了無數(shù)種配方后,成功地調(diào)配出了一種以硅酸鎂為原料的混合物(配方他已經(jīng)申請了專利),用這種混合物取代石灰石的話,水泥在硬化過程中會不斷吸收大量二氧化碳后,最后板結(jié)成型。
“每生產(chǎn)一噸這種水泥,就能吸收0.1噸的二氧化碳,它就像是生長的植物一樣。而且,跟傳統(tǒng)的高溫煅燒相比,它的生產(chǎn)所需溫度還不到300攝氏度,既降低了能源的消耗,也能應(yīng)用上很多可再生燃料,因此可以說是綠色環(huán)保的。”在同行的幫助下,瓦拉斯普魯斯已經(jīng)成立了一家專門開發(fā)這種新型水泥的公司諾瓦西姆(Novacem),并有了幾個世界上最大的水泥公司做合伙人。
另一家公司的靈感則來自2000多年前。美國佛吉尼亞州的Ceratech公司認(rèn)真研究了歷史:“古羅馬人是用火山灰跟水混合做出水泥的。我們分析了火山灰的成分,發(fā)現(xiàn)它完全可以用現(xiàn)代煤電站排放出的粉煤灰來替代?!泵绹磕暌蛉济喊l(fā)電而產(chǎn)出的粉煤灰有7000萬噸,大部分都被當(dāng)成垃圾填埋掉了。Ceratech公司將粉煤灰與一些專利液體添加物結(jié)合后,成功地生產(chǎn)出了水泥顆粒。由于這個過程不需要加熱,所以可以說是綠色零排放的。
Ceratech公司的執(zhí)行副總裁馬克·瓦斯科對自己的產(chǎn)品非常有信心,“這些年來,水泥公司的生產(chǎn)過程中利用的粉煤灰大概只占15%,而我們的水泥中粉煤灰的含量是95%,所以在資源回收上的意義是非常大的。另外,這種水泥比傳統(tǒng)配方的更加堅(jiān)固,所以在實(shí)際用量上還可以節(jié)省一些?!?/p>
根據(jù)他給出的數(shù)據(jù),以一座典型的三層4600平米的建筑為例,用Ceratech公司的粉煤灰水泥可以少用183立方米的水泥、34噸鋼筋,比傳統(tǒng)水泥減少的二氧化碳排放是320噸。
用二氧化碳造水泥
很多同行也相信,石灰?guī)r是水泥制造中的瓶頸,也是突破口。美國加州的卡列拉Calera公司采用的是另一種思路,它在加州建立了一個示范工廠,做法是:利用電力工廠生產(chǎn)過程中排出的二氧化碳,將它與海水或鹽水混合形成碳酸鹽,用它減少甚至替代生產(chǎn)水泥時所使用的石灰?guī)r。
“實(shí)際上,我們把排進(jìn)大氣層的二氧化碳重新塞回了水泥里。”卡列拉公司的創(chuàng)建者伯蘭特·康斯坦茲介紹?!拔覀円呀?jīng)在中國內(nèi)蒙古某個煤礦附近與一個集團(tuán)合建了一個工廠,利用當(dāng)?shù)鼗痣娬九欧诺亩趸紒碇圃焖??!北M管這項(xiàng)技術(shù)仍然處于研發(fā)階段,但卡列拉公司已經(jīng)獲得了硅谷投資家維諾德·科斯拉的5000萬美元投資。
但是,如馬克·瓦斯科所說,如果要靠綠色水泥來減少碳排放,需要成千上萬的生產(chǎn)商、建筑商、工程師、城市規(guī)劃者的協(xié)同改進(jìn)。目前推廣綠色水泥的首要障礙就是:缺乏第一批吃螃蟹的實(shí)踐者。
“如果修建了足夠多的示范性建筑,比如橋梁、道路和建筑物,讓人們看到這種新型水泥的可靠性,那么它的推廣會順利很多?!盋eratech公司目前已經(jīng)開始實(shí)施一些項(xiàng)目了,比如美國喬治亞州的一個港口碼頭建筑,德克薩斯州的一個化學(xué)處理基地,他們所期待的結(jié)果,還要等時間來驗(yàn)證。
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