水泥是促進人類文明發(fā)展的一種關鍵原材料，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(chǎn)量將達34億噸。然而，水泥制造業(yè)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。該文章詳盡介紹了美國麻省理工學院混凝土可持續(xù)發(fā)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。
工業(yè)革命的基礎性材料
1824年，英國石匠約瑟夫阿斯普丁發(fā)明了現(xiàn)代水泥。他在廚房里加熱一種經(jīng)研磨的石灰?guī)r和黏土混合物，當加入水后這種混合物板結硬化，工業(yè)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(fā)明專利。從表面上看與產(chǎn)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(xiàn)代水泥的生產(chǎn)工藝一般可分為生料制備、熟料煅燒和水泥制成三個工序。不幸的是，采用這種生產(chǎn)工藝，每生產(chǎn)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(yè)所排放的二氧化碳，約占全球溫室氣體排放總量的5%。
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(chǎn)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。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(fā)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?！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(fā)生了什么?其詳情如何?這是目前爭論最為激烈的焦點?！?BR>
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(yè)界已經(jīng)行動起來，采取了一些積極的行動，以促進綠色水泥的發(fā)展。
奇特的混合物
生產(chǎn)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，將混合物喂入窯中高溫煅燒，最后形成水泥熟料。待水泥熟料冷卻后，將它與石膏混合，然后再被碾磨成粉末配送到攪拌廠。在攪拌廠里，水泥粉與水混合后形成漿狀，并根據(jù)特定用途來配制其稠度。然后將混凝土漿運輸?shù)浇ㄖさ睾蜐沧⒂谀＞咧校芸毂汩_始硬化。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，是水泥生產(chǎn)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。
詹寧斯說：“對該問題進行大量研究后所發(fā)現(xiàn)的奇跡之一就是，在最初幾個小時內混合物以流體狀態(tài)存在，之后同時發(fā)生的一系列劇烈化學反應便開始產(chǎn)生一些新物質，這些新物質能使水泥逐漸硬化?！逼渲?，水合反應對最終材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉變?yōu)槿嗽焓^——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(tài)轉變?yōu)槭^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。
調整配方打造綠色水泥
佩林克說，他和同事們在降低二氧化碳排放方面取得了一些進展，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(chǎn)生C-S-H的兩種主要礦物成分。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(jié)約燃料。
CSHub的研究人員發(fā)現(xiàn)，硅酸三鈣晶體相對更易溶解于水，但硅酸二鈣晶體不易與水發(fā)生反應。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?shù)难芯繄F隊發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(fā)生反應生產(chǎn)水泥。
Ceratech公司正在利用粉煤灰作為水泥熟料。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(chǎn)商數(shù)年前就已采用含有粉煤灰的混合物生產(chǎn)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(fā)的新配方，粉煤灰比例高達95%，其余5%為液態(tài)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(tǒng)水泥，因而可以減少建筑物的水泥使用量。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
從經(jīng)濟效益等角度來考慮，相對于經(jīng)過長期檢驗的傳統(tǒng)水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風險，只有當建筑行業(yè)數(shù)以千計的生產(chǎn)商、工程師、建筑師、城市規(guī)劃者、建筑監(jiān)察員等都能以積極的態(tài)度對待綠色水泥時，這種風險才會降低。
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(fā)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，以證明綠色水泥和各種混凝土材料的實際應用價值。
《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(chǎn)量將達34億噸。然而，水泥制造業(yè)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。該文章詳盡介紹了美國麻省理工學院混凝土可持續(xù)發(fā)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。
工業(yè)革命的基礎性材料
1824年，英國石匠約瑟夫阿斯普丁發(fā)明了現(xiàn)代水泥。他在廚房里加熱一種經(jīng)研磨的石灰?guī)r和黏土混合物，當加入水后這種混合物板結硬化，工業(yè)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(fā)明專利。從表面上看與產(chǎn)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(xiàn)代水泥的生產(chǎn)工藝一般可分為生料制備、熟料煅燒和水泥制成三個工序。不幸的是，采用這種生產(chǎn)工藝，每生產(chǎn)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(yè)所排放的二氧化碳，約占全球溫室氣體排放總量的5%。
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(chǎn)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。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(fā)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?！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(fā)生了什么?其詳情如何?這是目前爭論最為激烈的焦點?！?BR>
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(yè)界已經(jīng)行動起來，采取了一些積極的行動，以促進綠色水泥的發(fā)展。
奇特的混合物
生產(chǎn)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，將混合物喂入窯中高溫煅燒，最后形成水泥熟料。待水泥熟料冷卻后，將它與石膏混合，然后再被碾磨成粉末配送到攪拌廠。在攪拌廠里，水泥粉與水混合后形成漿狀，并根據(jù)特定用途來配制其稠度。然后將混凝土漿運輸?shù)浇ㄖさ睾蜐沧⒂谀＞咧校芸毂汩_始硬化。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，是水泥生產(chǎn)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。
詹寧斯說：“對該問題進行大量研究后所發(fā)現(xiàn)的奇跡之一就是，在最初幾個小時內混合物以流體狀態(tài)存在，之后同時發(fā)生的一系列劇烈化學反應便開始產(chǎn)生一些新物質，這些新物質能使水泥逐漸硬化?！逼渲?，水合反應對最終材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉變?yōu)槿嗽焓^——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(tài)轉變?yōu)槭^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。
調整配方打造綠色水泥
佩林克說，他和同事們在降低二氧化碳排放方面取得了一些進展，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(chǎn)生C-S-H的兩種主要礦物成分。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(jié)約燃料。
CSHub的研究人員發(fā)現(xiàn)，硅酸三鈣晶體相對更易溶解于水，但硅酸二鈣晶體不易與水發(fā)生反應。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?shù)难芯繄F隊發(fā)現(xiàn)，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(tǒng)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(fā)生反應生產(chǎn)水泥。
Ceratech公司正在利用粉煤灰作為水泥熟料。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(chǎn)商數(shù)年前就已采用含有粉煤灰的混合物生產(chǎn)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(fā)的新配方，粉煤灰比例高達95%，其余5%為液態(tài)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(tǒng)水泥，因而可以減少建筑物的水泥使用量。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
從經(jīng)濟效益等角度來考慮，相對于經(jīng)過長期檢驗的傳統(tǒng)水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風險，只有當建筑行業(yè)數(shù)以千計的生產(chǎn)商、工程師、建筑師、城市規(guī)劃者、建筑監(jiān)察員等都能以積極的態(tài)度對待綠色水泥時，這種風險才會降低。
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(fā)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，以證明綠色水泥和各種混凝土材料的實際應用價值。
