文_胡雯雯
它应该是人类最熟悉的人造建材了，不论是两千年前的罗马万神殿，还是现代都市随处可见的摩天楼和高速公路，离开了水泥都不可能完成。如果将全世界一年生产的水泥都倒在北京二环以内，我们会得到一块重34亿吨、约14米厚的巨石。而且这块巨石的体积，每年都在增大，这主要归功于中国和印度两个超级建设大国。
这种建材的优点是显而易见的：廉价、操作简便，而且奇迹般地坚如磐石。可惜的是，它也是造成温室效应的最大元凶之一。全球每年的碳排放中，有5%是在制造水泥的过程中贡献的。以最常用见的硅酸盐水泥为例，这种用石灰石加粘土在窑炉里煅烧出来的水泥，每生产一吨成品，向大气排放的二氧化碳也接近一吨（约940千克）。
2000多年前，罗马人发现把石灰、火山灰、水和石块掺在一起后，可以凝固成非常坚固的物体，用它建造出的海港、纪念碑和各种建筑物可以长久地屹立不倒。到了19世纪20年代，英国一位名叫约瑟夫·阿斯普丁（Joseph Aspdin）的石匠师傅在厨房里将研磨过的石灰岩跟粘土混合在一起，将它们加热，又加入水以后，发现这种混合物居然板结硬化了，看上去跟英国波特兰岛上产的建筑石料很相像。后来他将这种材料命名为“波特兰水泥”，并申请了专利。从此，这种水泥的运用越来越广泛，几乎成了现代水泥的代名词。
制造水泥的关键配料是石灰岩和铝矽酸盐粘土，它们各自含有不同的化学成分和杂质。在将它们加热煅烧的过程中，粘土中的化学物质会形成硅、铁和铝的氧化物，而石灰岩因为含有贝壳类海洋生物留下的碳酸钙，里面的二氧化碳会被高温驱逐出去，剩下钙氧化物。这部分被驱逐的二氧化碳，以及高温煅烧时燃料所排放的二氧化碳，就是水泥制造过程中大量碳排放的来源。
在碳排放的代价日益昂贵的今天，无数的大公司都在为科研机构倾注资金，希望找到一个为水泥减碳的方法。麻省理工的混凝土可持续发展中心(CSHub)是全球研究水泥最权威的机构之一。自从2009年创立以来，这个拥有十多个赞助厂商的机构筹集的资金已经超过了1000万美元。
“尽管水泥是一种再常见不过的东西，但至今为止，我们对它的产生原理却知之甚少。”CSHub的负责人哈姆林·詹宁斯说。“一旦水泥粉接触到水以后，内部会发生一系列环环相扣的反应，这些反应是非常微妙又复杂的，至今没有人能准确地破译出来。专家们在这个问题上的争论，其猛烈程度简直可以媲美宗教战争。”
按下葫芦浮起瓢
在他们看来，水泥最神秘的一点就是，它混合水以后的泥浆可以在开始几小时内维持液态，然后在内部同时发生一系列激烈的化学反应，最后变成固体。“我们可以肯定的是，最后的成品是一种水化硅酸钙(CaO–SiO2–H2O, 或是C–S–H)。但这中间的过程到底发生了什么呢？”CSHub研究所的物理化学家罗南·佩灵格说。
“水硅酸钙其实是一种成分不固定的物质，每种成分的比例并不确定。生成它的过程中，无论是水、钙、硅、其他杂质的比例，还是温度和湿度，都会影响最终的成品构成。而且我们都知道，水泥块是个不透明的东西，这又增加了研究的难度。”
尽管如此，佩灵格和同事们还是有了一些思路。一个降低碳排放的办法就是，降低煅烧所需的温度，从而减少燃料的消耗。“目前来说，有两种原生矿物可以形成水硅酸钙：硅酸三钙石(Ca3SiO5)和斜硅钙石(Ca2SiO4)。硅酸三钙石需要在1500度的高温下才能形成，而它在加水几小时后，就会开始变硬。硅酸三钙石呢，需要的温度比较低，是1200度，而且硬化后的成品更加坚固。但它的固化过程需要好几天甚至好几个月，因此没有办法单独使用。”
如果能将硅酸三钙石的固化速度，与斜硅钙石的形成温度结合起来，就能减少煅烧的燃料了。但这不是个简单的问题。“要弄懂它们的形成原理和区别，你就必须搞清楚两者晶体中的电子分布情况，这已经涉及到原子级别的细节了。”此外，他们还需要运用量子力学原理，计算出水硅酸钙的结构是怎样被铝、镁和其他杂质所影响的。比如，镁可以帮助斜硅钙石更容易溶于水，这样也许能提高它的固化速度。
而另一方面，这种思路又带来了新问题。因为水泥原料在煅烧之后，冷却下来的炉渣要跟石膏以一定比例混合，打碎成均匀的粉末，然后再运到建筑工地上，跟水、沙子、碎石等混合在一起使用。CSHub研究所的机械工程师佛朗兹·乔瑟夫发现，打碎斜硅钙石炉渣所需要的能量要比硅酸三钙石高出4到9倍，也就是说，燃烧它时减少的碳排放，在磨粉的过程中又被抵消了一部分。
石灰岩的替代品
如果降低煅烧温度有难度的话，能不能从另一个二氧化碳排放源下手，直接减少甚至取代掉石灰岩呢？伦敦帝国大学的环境工程专家尼古拉斯·瓦拉斯普鲁斯正是从这方面入手的。
“我曾经看过澳大利亚的一份研究，他们在波特兰水泥中加入了氧化镁，用它取代一部分石灰岩。因为这样可以大大降低煅烧温度。但很可惜，氧化镁是通过加热碳酸镁而产生的，这个过程本身就排放出了二氧化碳。在某些检测中，生产这种水泥的碳排放总量甚至是之前的两倍。”
但他从这种不成功的尝试中看到了另一种可能性：寻找一种既有氧化镁的特性，又不会排放出二氧化碳的物质来取代石灰岩。“我开始考虑硅酸镁，它不含碳原素，可以从滑石、蛇纹石、橄榄石中提取，全世界的总供给量有10万亿吨。”瓦拉斯普鲁斯在实验了无数种配方后，成功地调配出了一种以硅酸镁为原料的混合物（配方他已经申请了专利），用这种混合物取代石灰石的话，水泥在硬化过程中会不断吸收大量二氧化碳后，最后板结成型。
“每生产一吨这种水泥，就能吸收0.1吨的二氧化碳，它就像是生长的植物一样。而且，跟传统的高温煅烧相比，它的生产所需温度还不到300摄氏度，既降低了能源的消耗，也能应用上很多可再生燃料，因此可以说是绿色环保的。”在同行的帮助下，瓦拉斯普鲁斯已经成立了一家专门开发这种新型水泥的公司诺瓦西姆（Novacem），并有了几个世界上最大的水泥公司做合伙人。
另一家公司的灵感则来自2000多年前。美国佛吉尼亚州的Ceratech公司认真研究了历史：“古罗马人是用火山灰跟水混合做出水泥的。我们分析了火山灰的成分，发现它完全可以用现代煤电站排放出的粉煤灰来替代。”美国每年因燃煤发电而产出的粉煤灰有7000万吨，大部分都被当成垃圾填埋掉了。Ceratech公司将粉煤灰与一些专利液体添加物结合后，成功地生产出了水泥颗粒。由于这个过程不需要加热，所以可以说是绿色零排放的。
Ceratech公司的执行副总裁马克·瓦斯科对自己的产品非常有信心，“这些年来，水泥公司的生产过程中利用的粉煤灰大概只占15%，而我们的水泥中粉煤灰的含量是95%，所以在资源回收上的意义是非常大的。另外，这种水泥比传统配方的更加坚固，所以在实际用量上还可以节省一些。”
根据他给出的数据，以一座典型的三层4600平米的建筑为例，用Ceratech公司的粉煤灰水泥可以少用183立方米的水泥、34吨钢筋，比传统水泥减少的二氧化碳排放是320吨。
用二氧化碳造水泥
很多同行也相信，石灰岩是水泥制造中的瓶颈，也是突破口。美国加州的卡列拉Calera公司采用的是另一种思路，它在加州建立了一个示范工厂，做法是：利用电力工厂生产过程中排出的二氧化碳，将它与海水或盐水混合形成碳酸盐，用它减少甚至替代生产水泥时所使用的石灰岩。
“实际上，我们把排进大气层的二氧化碳重新塞回了水泥里。”卡列拉公司的创建者伯兰特·康斯坦兹介绍。“我们已经在中国内蒙古某个煤矿附近与一个集团合建了一个工厂，利用当地火电站排放的二氧化碳来制造水泥。”尽管这项技术仍然处于研发阶段，但卡列拉公司已经获得了硅谷投资家维诺德·科斯拉的5000万美元投资。
但是，如马克·瓦斯科所说，如果要靠绿色水泥来减少碳排放，需要成千上万的生产商、建筑商、工程师、城市规划者的协同改进。目前推广绿色水泥的首要障碍就是：缺乏第一批吃螃蟹的实践者。
“如果修建了足够多的示范性建筑，比如桥梁、道路和建筑物，让人们看到这种新型水泥的可靠性，那么它的推广会顺利很多。”Ceratech公司目前已经开始实施一些项目了，比如美国乔治亚州的一个港口码头建筑，德克萨斯州的一个化学处理基地，他们所期待的结果，还要等时间来验证。