它應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的水泥都倒在北京二環(huán)以內，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，這主要歸功于中國和印度兩個超級建設大國。

這種建材的優(yōu)點是顯而易見的：廉價、操作簡便，而且奇跡般地堅如磐石?？上У氖牵彩窃斐蓽厥倚淖畲笤獌粗?。全球每年的碳排放中，有5%是在制造水泥的過程中貢獻的。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)現把石灰、火山灰、水和石塊摻在一起后，可以凝固成非常堅固的物體，用它建造出的海港、紀念碑和各種建筑物可以長久地屹立不倒。到了19世紀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)現這種混合物居然板結硬化了，看上去跟英國波特蘭島上產的建筑石料很相像。后來他將這種材料命名為“波特蘭水泥”，并申請了專利。從此，這種水泥的運用越來越廣泛，幾乎成了現代水泥的代名詞。

制造水泥的關鍵配料是石灰?guī)r和鋁矽酸鹽粘土，它們各自含有不同的化學成分和雜質。在將它們加熱煅燒的過程中，粘土中的化學物質會形成硅、鐵和鋁的氧化物，而石灰?guī)r因為含有貝殼類海洋生物留下的碳酸鈣，里面的二氧化碳會被高溫驅逐出去，剩下鈣氧化物。這部分被驅逐的二氧化碳，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，無數的大公司都在為科研機構傾注資金，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威的機構之一。自從2009年創(chuàng)立以來，這個擁有十多個贊助廠商的機構籌集的資金已經超過了1000萬美元。

“盡管水泥是一種再常見不過的東西，但至今為止，我們對它的產生原理卻知之甚少?！盋SHub的負責人哈姆林·詹寧斯說?！耙坏┧喾劢佑|到水以后，內部會發(fā)生一系列環(huán)環(huán)相扣的反應，這些反應是非常微妙又復雜的，至今沒有人能準確地破譯出來。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，水泥最神秘的一點就是，它混合水以后的泥漿可以在開始幾小時內維持液態(tài)，然后在內部同時發(fā)生一系列激烈的化學反應，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研究所的物理化學家羅南·佩靈格說。

“水硅酸鈣其實是一種成分不固定的物質，每種成分的比例并不確定。生成它的過程中，無論是水、鈣、硅、其他雜質的比例，還是溫度和濕度，都會影響最終的成品構成。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?！?/p>

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合起來，就能減少煅燒的燃料了。但這不是個簡單的問題。“要弄懂它們的形成原理和區(qū)別，你就必須搞清楚兩者晶體中的電子分布情況，這已經涉及到原子級別的細節(jié)了?！贝送?，他們還需要運用量子力學原理，計算出水硅酸鈣的結構是怎樣被鋁、鎂和其他雜質所影響的。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。因為水泥原料在煅燒之后，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研究所的機械工程師佛朗茲·喬瑟夫發(fā)現，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。因為這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蛊蒸斔乖趯嶒灹藷o數種配方后，成功地調配出了一種以硅酸鎂為原料的混合物(配方他已經申請了專利)，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，最后板結成型。

“每生產一噸這種水泥，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，它的生產所需溫度還不到300攝氏度，既降低了能源的消耗，也能應用上很多可再生燃料，因此可以說是綠色環(huán)保的?！痹谕械膸椭拢呃蛊蒸斔挂呀洺闪⒘艘患覍ｉT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)現它完全可以用現代煤電站排放出的粉煤灰來替代?！泵绹磕暌蛉济喊l(fā)電而產出的粉煤灰有7000萬噸，大部分都被當成垃圾填埋掉了。Ceratech公司將粉煤灰與一些專利液體添加物結合后，成功地生產出了水泥顆粒。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·瓦斯科對自己的產品非常有信心，“這些年來，水泥公司的生產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)配方的更加堅固，所以在實際用量上還可以節(jié)省一些?！?/p>

根據他給出的數據，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水泥時所使用的石灰?guī)r。

“實際上，我們把排進大氣層的二氧化碳重新塞回了水泥里?！笨欣镜膭?chuàng)建者伯蘭特·康斯坦茲介紹?！拔覀円呀浽谥袊鴥让晒拍硞€煤礦附近與一個集團合建了一個工廠，利用當地火電站排放的二氧化碳來制造水泥?！北M管這項技術仍然處于研發(fā)階段，但卡列拉公司已經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商、建筑商、工程師、城市規(guī)劃者的協(xié)同改進。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公司目前已經開始實施一些項目了，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處理基地，他們所期待的結果，還要等時間來驗證。