若將今年全球預期生產的水泥以某種方式傾注到美國紐約的曼哈頓島上，這34億噸的水泥會凝固成一個約14米高的龐然巨石。考慮到像中國和印度這樣的發展中國家的建筑業正在急速發展，如果將明年全年的水泥傾注凝固，這個石塊會更大。水泥是人類文明發展中一種至關重要的原材料，可以將有2000年歷史的羅馬萬神廟文物和現代摩天大樓及高速公路維系起來。
　　
　　然而它對地球的氣候來說卻是不幸的。如今這種材料最廣泛的使用形式波特蘭水泥是在大窯爐中焙燒石灰石和粘土形成的，每生成1噸波特蘭水泥，就會有近1噸二氧化碳排放到空氣中。在人為排放的溫室氣體中，大約有5%來自于波特蘭水泥的生產。
　　
　　更糟糕的是，研究人員在尋找方法以減少溫室氣體排放時發現，水泥不僅是大批量使用的一種司空見慣的商品，更是材料科學中一種有著最復雜結構的物質。從它的結構組成到其與水混合發生反應并在模具中成形的過程，“科學家還不能對有些關于水泥最基本的問題進行解答”，美國麻省理工學院（MIT）混凝土可持續發展中心（CSHub）主任Hamlin Jennings說。
　　
　　“水和水泥粉末接觸發生反應的細節是具有爭議性的。”美國國家標準與技術研究所的水泥專家Kenneth Snyder說，“關于這個問題的爭論，簡直像是宗教戰爭。”
　　
　　盡管如此，碳稅以及總量限制和排放交易市場的前景使全世界的水泥生產商開始采用綠色或可持續發展的水泥項目。它們的措施包括支持基礎研究來推動國際建筑規范改革，一旦成功，最終將會使水泥行業的二氧化碳足跡減少一半。
　　
　　CSHub是該領域全球最大的學術研究中心之一。它于2009年建立，5年來行業贊助商資助了1000萬美元。目前，CSHub由12名主要調查員組成，他們對水泥進行研究從其不同結構的功能到其量子機械性能。Jennings說，這并不容易，因為在分子層面分析水泥的各種反應是很難的。
　　
　　水泥是怎樣出爐的
　　
　　水泥制作過程開始時，石灰石和鋁硅酸鹽粘土混合在一起，兩者都有各自的化學特性和雜質，在1500℃高溫的窯爐中，它們以多種方式相互作用。這個過程中會出現淺灰色、彈珠大小的“熟料”。熟料包括硅、鐵、鋁氧化物（主要來自于粘土）和鈣的氧化物（它是在高溫導致石灰石中的碳酸鈣釋放二氧化碳時產生的）。這里的二氧化碳是整個反應過程釋放的二氧化碳的主要來源；其他來自于加熱窯爐所用的燃料。熟料冷卻后便會和石膏（其用量決定了水泥形成的速度）結合，并被磨成顆粒大小一致的粉狀物，最后分配給混凝土攪拌廠。
　　
　　在攪拌廠，水泥與水混合后具有黏性，根據其用途會有具體調整比如，橋打樁或路面工程對材料會有不同的用途。最常見的是將其與砂、礫石或更大石塊混合形成混凝土。然后，混凝土砂漿被卡車運到施工現場，傾注到模具里，它會很快開始凝固，但是完全凝固需要幾個月的時間。
　　
　　Jennings說：“研究的一個熱點在于，在劇烈的同步化學反應產生催化劑后，該混合物在最初的幾個小時是可以流動的。”對最終產物最重要的是水和熟料粉發生水化反應后變成人造石的過程，該人造石是硅酸鈣水合物（CaO-SiO2-H2O，或C-S-H）。“地球上所有的建筑都依賴于這個由液體到石頭的轉變過程。”CSHub的物理化學家Roland Pellenq說。
　　
　　但是Pellenq表示，C-S-H是一個并不精確的化學式。它沒有表現出各種元素的比例，而且反應產物取決于最初的用料、水的用量、鈣硅比例以及添加劑、污染物、溫度和濕度。當然，混凝土是不透明的，這也增加了分析C-S-H的難度。
　　
　　調整配方
　　
　　Pellenq表示，盡管存在這些挑戰，他和CSHub的同事在碳排放難題研究上也取得了一定的進展。其中一個較有前景的攻克方式是降低窯爐溫度，從而燃燒較少的燃料。其主要目標是硅酸三鈣石和斜硅鈣石，它們是生成C-S-H的熟料的兩種原生礦物。硅酸三鈣石（Ca3SiO5）更有活性在加入水后幾個小時內就開始凝固，使混凝土開始變硬。然而，硅酸三鈣石需要完全達到1500℃才能形成，而斜硅鈣石（Ca2SiO4）的形成需要約1200℃。斜硅鈣石最終會更堅固，但是需要很多天甚至幾個月才能慢慢變硬由于耗時太長，因此不能在建筑物中單獨使用斜硅鈣石。Pellenq及其同事正在調查一些較低的窯爐溫度是否能形成和硅酸三鈣石活性差不多的斜硅鈣石晶體結構，這樣可以節省燃料。
　　
　　由于能否解決這個問題取決于原子層面的要求，例如晶體中的電子分布，因此研究人員進行了C-S-H的結構怎樣受鋁、鎂及其他雜質影響的量子力學計算。正如Pellenq所說：“要想完成量子熟料工程，你需要知道電子在哪里。”CSHub的研究人員發現，硅酸三鈣石晶體中總有一面比其他面更容易溶于水，而在斜硅鈣石晶體中，所有面都是一樣的且其晶體在水中活性會減弱。這就是為什么斜硅鈣石比硅酸三鈣石凝固得更慢。但是Pellenq表示，研究也發現，一些雜質，比如鎂，可以幫助斜硅鈣石更容易溶于水。這可能會使斜硅鈣石在作為建筑水泥的主要成分時凝固得更快。
　　
　　然而，對低溫斜硅鈣石的研究也產生了新的問題。CSHub的機械工程師Franz-Josef Ulm和他的團隊發現，將斜硅鈣石磨成粉末狀要比硅酸三鈣石多使用4到9倍的能量，這會抵消使用富含斜硅鈣石的熟料所節省的能量。
　　
　　其他的機構，比如弗吉尼亞州亞歷山大市的水泥公司Ceratech正在尋找常規熟料的替代方法。該公司從古羅馬工程師在2000年前使用的水泥中找到了靈感。其主要原料是一種火山灰，可以與水反應生成水泥因此具有天然熟料的功能。Ceratech公司正在開發可以在工業上使用的火山灰：粉煤灰，這是一種從燃煤發電廠的燃燒氣體中過濾出的細顆粒。美國工廠每年產出大約7000萬噸的粉煤灰，大部分都被垃圾填埋場儲存或處理掉了。Ceratech公司通過結合一些專用液體添加劑，將其轉化成水泥顆粒。由于該過程不需要加熱，因此Ceratech公司稱這種粉煤灰水泥是碳中性的。
　　
　　大有希望
　　
　　Ceratech公司的執行副總裁Mark Wasiko稱，盡管多年來混凝土攪拌廠所使用的混合物含有15%的粉煤灰，但Ceratech公司的混合物中卻含有95%的粉煤灰和5%的液體原料。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土比傳統混凝土更加堅固，因此設計師可以減少用量。該公司稱，在一個典型的3層、4600平方米的建筑中，使用粉煤灰水泥可以少使用183立方米的混凝土和34噸鋼筋；它還可以清除垃圾填埋場中374噸的粉煤灰，并減少二氧化碳排放320噸。
　　
　　Wasiko說，目前Ceratech公司只是水泥產業中的一個很小的組成部分，它致力于減少碳排放的努力只是滄海一粟。大量的碳減排只能來自于建筑行業中千千萬萬個生產者、工程師、建筑師、城市規劃者和建筑檢查員對下一代水泥行業的改進，這意味著通過實踐來減少使用環保水泥的風險。使用環保水泥的道路應該像這樣：“如果這條路走不通，我的老板會錘死我。”Snyder說。
　　
　　只有更多國家實施碳稅及總量限制和排放交易計劃，增加碳排放成本，人們的態度才會逐漸轉變。不過一個更實際的短期方法是修建示范性建筑，如橋梁、道路和建筑物等，從而證明新型水泥和混凝土結構的可行性。Wasiko稱，他希望每年公司實施的項目，比如佐治亞州薩凡納港的碼頭建筑，以及得克薩斯州加爾維斯頓市為海灣硫服務署修建的化學處理基地等都可以實現這一目的。
　　
　　水泥行業有足夠的理由在環保的路上繼續探索前行。而就在你閱讀這篇文章所花費的8分鐘左右的時間里，水泥制造商又將3萬噸二氧化碳排放到了空氣中。

來源：科學時報