纵观全球气候变暖，水泥制造业是温室气体的一个主要排放源头。然而，要减少该产业的碳排放，则意味着在掌控水泥这一极其复杂材料的同时，重在提升水泥的“绿色”含量。
短短8分钟，水泥制造商就向大气中排放了3万多吨二氧化碳
地球的不幸
假设将今年全球预期产出的水泥以某种方式全部倾倒入曼哈顿岛，这34亿吨的水泥将会固化成一座14米高的山。如果到了明年，这座山还会继续长高――因为在诸如中国和印度等发展中国家其工程建设正如火如荼。无论是拥有两千年历史的罗马万神庙，还是现代的摩天大楼、高速公路，水泥都是建造这些人类文明工程的重要原材料。
然而，这对地球气候来说并不是件幸事。现在，作为这种材料最广泛应用形式的波特兰水泥，即硅酸盐水泥是由石灰石和黏土在大型窑炉中焙烧而成，每生产1吨成品，就有约1吨二氧化碳被排放到空气中。在人类排放的温室气体中，波特兰水泥产生的二氧化碳约占5%。
更糟糕的是，对于寻求各种方法降低碳排放的研究人员来说，水泥不仅是一种司空见惯的、大批量使用的商品，更是材料科学中已知的一种结构最复杂的物质之一。从它的结构组成到其与水混合发生反应并浇注进模具成形的过程中，“科学家对有关水泥的一些基本问题都给不出解答”，美国麻省理工学院（MIT）混凝土可持续发展中心（CSHub）主任哈姆林·詹宁斯（Hamlin Jennings）说。
“水和水泥灰接触后发生反应的细节是极富争议性的，”位于马里兰州盖瑟斯堡的美国国家标准与技术研究院（NIST）水泥专家说，“关于这一问题的争议，简直像宗教之争，一时难有解答。”
尽管如此，碳排放交易市场实行碳税和碳排放总量限制的前景促使全球水泥厂商开始寻求采用绿色或可持续发展的水泥项目，从支持基础研究，到推进国际建筑规范改革等一些列措施。如果这些措施全部落实到位，水泥行业二氧化碳排放量最终将会减半。
成立于2009年的CSHub是混凝土行业全球最大的学术研究中心之一。五年多来接受业内企业注资1 000万美元。目前，CSHub由12名研究人员组成，研究范围涉及水泥的各种结构功能以及其量子力学性能等。詹宁斯说，很显然，在分子尺度上分析水泥的生成过程是件困难的事。
水泥的形成
水泥的生产过程开始时先将石灰石和铝硅酸盐黏土混合，由于两者有各自的化学特性和杂质，在约1 500℃高温的窑炉中焙烧，其过程会相互作用并生成浅灰色、弹珠般大小的块状“熟料”。熟料含有硅、铁、铝的氧化物（主要来自于黏土）和氧化钙（高温加热石灰石释放出二氧化碳后产生的）。该反应过程是二氧化碳产生的主要来源，其余的二氧化碳则来源于加热窑炉所用的燃料。待熟料冷却，将之与石膏（其含量决定水泥的凝结速度）混合并研磨成颗粒均匀的粉末，最后运送到混凝土制作工厂。
在这些工厂，水泥灰与水混合成浆，浆的稠度可以根据其用途进行调配，比如，桥梁灌桩或路面整修对此要求就不同。最常见的是浆和沙子、砾石或大块的石子混合成混凝土砂浆，然后由混凝土搅拌车运到施工现场，注入模具里，并很快开始凝固。不过完全的凝固可能需要几个月时间。
“人们感兴趣的一个热点在于最初的几个小时这种混合物是流体状态的，”詹宁斯说，“而后的一系列同步化学反应生成的某些产物加快了混凝土砂浆的固化进程。”其中，最重要的是水和粉末熟料反应后转化为最终产物――人造石――的水化反应，这种人造石是硅酸钙水合物（CaO-SiO2-H2O或C-S-H）。CSHub的物理化学家罗兰·佩伦（Roland Pellenq）说：“地球上所有的建筑都是依赖这种从流体到石头的转变过程。”
尽管如此，但佩伦认为C-S-H依然是一个不精确的化学式。因为它无法明确各组分的比例，并且反应产物也取决于初始成分、水的用量和钙硅比，以及添加剂、污染物、温度和湿度等。当然，混凝土的不透明性也增加了C-S-H的分析难度。
配方的调整
尽管存在上述这些挑战，佩伦说，他和CSHub的同事在碳排放问题研究上还是取得了一些进展。其中一个比较具有突破性的方法就是降低窑炉温度，从而减少燃料消耗（其主要目标是硅酸三钙石（Ca3SiO5）和斜硅钙石（Ca2SiO4），二者是生产C-S-H的熟料的主要原生矿物）。硅酸三钙石在两者中更具活性，加水后几个小时内就开始凝固，形成了混凝土的初始强度。然而，硅酸三钙石需要达到1 500℃才能形成，而斜硅钙石在1 200℃左右的温度就能形成。斜硅钙石最终态会更坚固，不过需要数天甚至几个月时间才能变硬。目前，佩伦和其同事正在探究是否存在某些拥有较低焙烧温度且活性与硅酸三钙石相当的材料，便于节约燃料。
问题的答案取决于原子尺度的细节，例如晶体中的电子分布。研究人员为此从量子力学角度计算了C-S-H受铝、镁和其他杂质影响的情况。正如佩伦所说，要想完成量子熟料工程，就需要知道电子在哪里。CSHub团队发现，硅酸三钙石晶体中总有一面较其他面更易溶于水，但在斜硅钙石晶体中，所有的面都难以与水反应。这就是为什么斜硅钙石凝固得更慢的原因。佩伦同时表示，研究结果也表明，某些杂质（比如镁）有助于斜硅钙石易溶于水。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，弗吉尼亚州亚历山大市的水泥公司Ceratech也在寻找常规熟料的替代方案。该公司从两千年前古罗马工程师使用的水泥中找到了灵感，即一种可与水反应生成水泥的火山灰，其功能类似于天然熟料。与此同时，Ceratech正在开发可以用于工业的粉煤灰――一种燃煤发电厂的燃烧气体中过滤出的细颗粒。在美国，每年产出大约7 000万吨粉煤灰，其中大部分都在垃圾填埋场存储或被处理掉了。Ceratech通过利用一些专用液态添加剂，将粉煤灰转化成水泥颗粒。由于该过程不需要加热，因此Ceratech称这种粉煤灰水泥是碳中性的。
Ceratech执行副总裁马克·瓦西尔克（Mark Wasilko）声称，尽管多年来许多工厂制造的水泥成分中粉煤灰含量达15%，但Ceratech的合成水泥粉煤灰含量高达95%。此外，用粉煤灰合成的水泥比传统的水泥更坚固，因此设计者可以减少熟料的用量。Ceratech称，以建造传统的三层楼、4 600平方米的建筑为例，使用粉煤灰水泥总量可以减少183立方米混凝土和34吨钢筋；同时可以减少垃圾填埋场374吨粉煤灰和减少320吨碳排放。
瓦西尔克说，Ceratech目前只是水泥业界中的小小一员，他们致力于减少碳排放的努力也只是沧海一粟。只有当建筑业的所有建设者、工程师、建筑师、城市规划者开始使用这种水泥，才能大幅度地减少碳排放。这也意味着降低了选择绿色水泥的门槛，减少使用传统水泥的预知风险。
如果越来越多的国家实行碳交易政策，使碳排放成本越来越高，人们的态度就有可能转变。眼下，一个最直接改变人们传统观念的就是建设示范性绿色建筑，如桥梁、道路和建筑物，向世人证明这种新的水泥的魅力和生命力。瓦西尔克说，他希望公司目前正在进行的一些项目，比如格鲁吉亚Savannah港口的码头，以及得克萨斯州Galveston为海湾硫服务署修建的化学处理基地，能够成为绿色水泥的示范建筑。
这项事业有足够多的理由值得大力拓展。就在我们读完这篇文章的时候，水泥制造商又向大气中排放了3万多吨的二氧化碳。
资料来源 Nature
责任编辑 则 鸣