水泥是促進(jìn)人類文明發(fā)展的一種關(guān)鍵原材料，就總體積而言，水泥在全世界的使用量?jī)H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(dá)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(fù)雜的建筑材料。該文章詳盡介紹了美國(guó)麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心(簡(jiǎn)稱CSHub)在綠色水泥研究方面的新進(jìn)展，以及Ceratech公司的替代性解決方案。
工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料
1824年，英國(guó)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(dāng)加入水后這種混合物板結(jié)硬化，工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料就此誕生!當(dāng)年，他以“人造新式石頭工藝的改進(jìn)”注冊(cè)了這項(xiàng)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(gè)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(guó)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(fù)雜的物質(zhì)
對(duì)于探尋減少排放途徑的研究人員來(lái)說(shuō)，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(xué)中已知最為復(fù)雜的物質(zhì)之一。
CSHub成立于2009年，是目前全球極力倡導(dǎo)打造“綠色”水泥的著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之一。該中心主任、水泥化學(xué)專家哈姆林·詹寧斯認(rèn)為，在分子層面上對(duì)水泥制造過(guò)程進(jìn)行詳盡研究是一項(xiàng)艱辛的工作。
詹寧斯指出，對(duì)于水泥的結(jié)構(gòu)和成分、它與水混合后發(fā)生怎樣的反應(yīng)，以及被澆鑄到模具后的形成過(guò)程等一系列問(wèn)題，“我們依然沒(méi)有搞清楚其中某些最為基本的問(wèn)題。實(shí)際上，我們不太了解這些東西變硬的化學(xué)過(guò)程?！泵绹?guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院水泥專家肯內(nèi)斯·辛德?tīng)栆舱f(shuō)：“當(dāng)水接觸到水泥粉時(shí)，究竟發(fā)生了什么?其詳情如何?這是目前爭(zhēng)論最為激烈的焦點(diǎn)。”
然而，隨著碳稅和限量與交易市場(chǎng)等減排措施的不斷推進(jìn)和深化，世界各國(guó)的工業(yè)界已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，采取了一些積極的行動(dòng)，以促進(jìn)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(lái)配制其稠度。然后將混凝土漿運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ睾蜐沧⒂谀＞咧校芸毂汩_(kāi)始硬化。在生石灰的形成過(guò)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(lái)源。此外，煅燒過(guò)程中燃料消耗是另一個(gè)來(lái)源。
詹寧斯說(shuō)：“對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行大量研究后所發(fā)現(xiàn)的奇跡之一就是，在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)混合物以流體狀態(tài)存在，之后同時(shí)發(fā)生的一系列劇烈化學(xué)反應(yīng)便開(kāi)始產(chǎn)生一些新物質(zhì)，這些新物質(zhì)能使水泥逐漸硬化?！逼渲校戏磻?yīng)對(duì)最終材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽焓^——水化硅酸鈣(即C-S-H)。CSHub物理化學(xué)家羅蘭德·佩林克說(shuō)：“地球上所有建筑都依賴于這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭^的過(guò)程?！?BR>
但佩林克指出，水化硅酸鈣是一個(gè)極其不精確的化學(xué)式，其成分沒(méi)有固定的比例。
調(diào)整配方打造綠色水泥
佩林克說(shuō)，他和同事們?cè)诮档投趸寂欧欧矫嫒〉昧艘恍┻M(jìn)展，其中很有希望的一個(gè)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(duì)更易溶解于水，但硅酸二鈣晶體不易與水發(fā)生反應(yīng)。但佩林克認(rèn)為這一結(jié)果也暗示某些雜質(zhì)(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(guò)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(huì)引起一些新問(wèn)題。CSHub工程師弗雷茲-約瑟夫·尤爾瑪?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)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(guó)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(yīng)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(guò)程，因此公司認(rèn)為粉煤灰水泥石沒(méi)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(kù)指出，按照公司開(kāi)發(fā)的新配方，粉煤灰比例高達(dá)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(qiáng)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(shí)也能使廢棄物填埋場(chǎng)減少粉煤灰處理量374噸，二氧化碳減排效益可達(dá)320噸。
綠色水泥沒(méi)有坦途
從經(jīng)濟(jì)效益等角度來(lái)考慮，相對(duì)于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的傳統(tǒng)水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風(fēng)險(xiǎn)，只有當(dāng)建筑行業(yè)數(shù)以千計(jì)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(duì)待綠色水泥時(shí)，這種風(fēng)險(xiǎn)才會(huì)降低。
展望未來(lái)，如果更多國(guó)家采用碳稅或者限量與交易計(jì)劃，勢(shì)必將提高排放碳成本，人們對(duì)綠色水泥的認(rèn)可程度肯定會(huì)發(fā)生積極的變化。目前可以采用一個(gè)更為實(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)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(dá)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(fù)雜的建筑材料。該文章詳盡介紹了美國(guó)麻省理工學(xué)院混凝土可持續(xù)發(fā)展中心(簡(jiǎn)稱CSHub)在綠色水泥研究方面的新進(jìn)展，以及Ceratech公司的替代性解決方案。
工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料
1824年，英國(guó)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(dāng)加入水后這種混合物板結(jié)硬化，工業(yè)革命的基礎(chǔ)性材料就此誕生!當(dāng)年，他以“人造新式石頭工藝的改進(jìn)”注冊(cè)了這項(xiàng)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(gè)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(guó)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(fù)雜的物質(zhì)
對(duì)于探尋減少排放途徑的研究人員來(lái)說(shuō)，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(xué)中已知最為復(fù)雜的物質(zhì)之一。
CSHub成立于2009年，是目前全球極力倡導(dǎo)打造“綠色”水泥的著名學(xué)術(shù)機(jī)構(gòu)之一。該中心主任、水泥化學(xué)專家哈姆林·詹寧斯認(rèn)為，在分子層面上對(duì)水泥制造過(guò)程進(jìn)行詳盡研究是一項(xiàng)艱辛的工作。
詹寧斯指出，對(duì)于水泥的結(jié)構(gòu)和成分、它與水混合后發(fā)生怎樣的反應(yīng)，以及被澆鑄到模具后的形成過(guò)程等一系列問(wèn)題，“我們依然沒(méi)有搞清楚其中某些最為基本的問(wèn)題。實(shí)際上，我們不太了解這些東西變硬的化學(xué)過(guò)程?！泵绹?guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院水泥專家肯內(nèi)斯·辛德?tīng)栆舱f(shuō)：“當(dāng)水接觸到水泥粉時(shí)，究竟發(fā)生了什么?其詳情如何?這是目前爭(zhēng)論最為激烈的焦點(diǎn)。”
然而，隨著碳稅和限量與交易市場(chǎng)等減排措施的不斷推進(jìn)和深化，世界各國(guó)的工業(yè)界已經(jīng)行動(dòng)起來(lái)，采取了一些積極的行動(dòng)，以促進(jìn)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(lái)配制其稠度。然后將混凝土漿運(yùn)輸?shù)浇ㄖさ睾蜐沧⒂谀＞咧校芸毂汩_(kāi)始硬化。在生石灰的形成過(guò)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(lái)源。此外，煅燒過(guò)程中燃料消耗是另一個(gè)來(lái)源。
詹寧斯說(shuō)：“對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行大量研究后所發(fā)現(xiàn)的奇跡之一就是，在最初幾個(gè)小時(shí)內(nèi)混合物以流體狀態(tài)存在，之后同時(shí)發(fā)生的一系列劇烈化學(xué)反應(yīng)便開(kāi)始產(chǎn)生一些新物質(zhì)，這些新物質(zhì)能使水泥逐漸硬化?！逼渲校戏磻?yīng)對(duì)最終材料的形成非常重要，它將水和粉末狀水泥熟料轉(zhuǎn)變?yōu)槿嗽焓^——水化硅酸鈣(即C-S-H)。CSHub物理化學(xué)家羅蘭德·佩林克說(shuō)：“地球上所有建筑都依賴于這種由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)槭^的過(guò)程?！?BR>
但佩林克指出，水化硅酸鈣是一個(gè)極其不精確的化學(xué)式，其成分沒(méi)有固定的比例。
調(diào)整配方打造綠色水泥
佩林克說(shuō)，他和同事們?cè)诮档投趸寂欧欧矫嫒〉昧艘恍┻M(jìn)展，其中很有希望的一個(gè)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(biāo)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(jié)構(gòu)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(duì)更易溶解于水，但硅酸二鈣晶體不易與水發(fā)生反應(yīng)。但佩林克認(rèn)為這一結(jié)果也暗示某些雜質(zhì)(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(guò)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(huì)引起一些新問(wèn)題。CSHub工程師弗雷茲-約瑟夫·尤爾瑪?shù)难芯繄F(tuán)隊(duì)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(guó)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(yīng)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(guò)程，因此公司認(rèn)為粉煤灰水泥石沒(méi)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(kù)指出，按照公司開(kāi)發(fā)的新配方，粉煤灰比例高達(dá)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(qiáng)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(shí)也能使廢棄物填埋場(chǎng)減少粉煤灰處理量374噸，二氧化碳減排效益可達(dá)320噸。
綠色水泥沒(méi)有坦途
從經(jīng)濟(jì)效益等角度來(lái)考慮，相對(duì)于經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期檢驗(yàn)的傳統(tǒng)水泥，選擇綠色水泥目前有一定的風(fēng)險(xiǎn)，只有當(dāng)建筑行業(yè)數(shù)以千計(jì)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(duì)待綠色水泥時(shí)，這種風(fēng)險(xiǎn)才會(huì)降低。
展望未來(lái)，如果更多國(guó)家采用碳稅或者限量與交易計(jì)劃，勢(shì)必將提高排放碳成本，人們對(duì)綠色水泥的認(rèn)可程度肯定會(huì)發(fā)生積極的變化。目前可以采用一個(gè)更為實(shí)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(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
