水泥是促进人类文明发展的一种关键原材料，就总体积而言，水泥在全世界的使用量仅次于水。
《自然》杂志2月20日刊登题为《绿色水泥——混凝土方案》的文章指出，今年全球水泥总产量将达34亿吨。然而，水泥制造业是温室气体的主要排放源之一，减少排放意味着需要妥善掌控这种用途广泛、最为复杂的建筑材料。该文章详尽介绍了美国麻省理工学院混凝土可持续发展中心(简称CSHub)在绿色水泥研究方面的新进展，以及Ceratech公司的替代性解决方案。
工业革命的基础性材料
1824年，英国石匠约瑟夫阿斯普丁发明了现代水泥。他在厨房里加热一种经研磨的石灰岩和黏土混合物，当加入水后这种混合物板结硬化，工业革命的基础性材料就此诞生!当年，他以“人造新式石头工艺的改进”注册了这项发明专利。从表面上看与产自波特兰岛上的建筑流行石料相似，阿斯普丁便将这种材料命名为“波特兰水泥”，这就是目前人类最广泛使用的建筑材料——硅酸盐水泥。
现代水泥的生产工艺一般可分为生料制备、熟料煅烧和水泥制成三个工序。不幸的是，采用这种生产工艺，每生产1吨水泥就要向大气中排放1吨二氧化碳。世界各国水泥制造业所排放的二氧化碳，约占全球温室气体排放总量的5%。
既普通又最为复杂的物质
对于探寻减少排放途径的研究人员来说，更为糟糕的是，水泥并不仅仅是一种产量巨大的普通商品，它也是材料科学中已知最为复杂的物质之一。
CSHub成立于2009年，是目前全球极力倡导打造“绿色”水泥的著名学术机构之一。该中心主任、水泥化学专家哈姆林·詹宁斯认为，在分子层面上对水泥制造过程进行详尽研究是一项艰辛的工作。
詹宁斯指出，对于水泥的结构和成分、它与水混合后发生怎样的反应，以及被浇铸到模具后的形成过程等一系列问题，“我们依然没有搞清楚其中某些最为基本的问题。实际上，我们不太了解这些东西变硬的化学过程。”美国国家标准与技术研究院水泥专家肯内斯·辛德尔也说：“当水接触到水泥粉时，究竟发生了什么?其详情如何?这是目前争论最为激烈的焦点。”
然而，随着碳税和限量与交易市场等减排措施的不断推进和深化，世界各国的工业界已经行动起来，采取了一些积极的行动，以促进绿色水泥的发展。
奇特的混合物
生产水泥的第一步是将石灰石和铝硅酸盐黏土这两种配料混合在一起，将混合物喂入窑中高温煅烧，最后形成水泥熟料。待水泥熟料冷却后，将它与石膏混合，然后再被碾磨成粉末配送到搅拌厂。在搅拌厂里，水泥粉与水混合后形成浆状，并根据特定用途来配制其稠度。然后将混凝土浆运输到建筑工地和浇注于模具中，它很快便开始硬化。在生石灰的形成过程中，石灰石中的碳酸钙向大气中排放二氧化碳，是水泥生产工艺中温室气体排放的主要来源。此外，煅烧过程中燃料消耗是另一个来源。
詹宁斯说：“对该问题进行大量研究后所发现的奇迹之一就是，在最初几个小时内混合物以流体状态存在，之后同时发生的一系列剧烈化学反应便开始产生一些新物质，这些新物质能使水泥逐渐硬化。”其中，水合反应对最终材料的形成非常重要，它将水和粉末状水泥熟料转变为人造石头——水化硅酸钙(即C-S-H)。CSHub物理化学家罗兰德·佩林克说：“地球上所有建筑都依赖于这种由液态转变为石头的过程。”
但佩林克指出，水化硅酸钙是一个极其不精确的化学式，其成分没有固定的比例。
调整配方打造绿色水泥
佩林克说，他和同事们在降低二氧化碳排放方面取得了一些进展，其中很有希望的一个研究途径就是寻找各种方法以降低煅烧温度。目前研究的主要目标是硅酸三钙和硅酸二钙，它们是水泥熟料中能产生C-S-H的两种主要矿物成分。佩林克和其同事正在研究，某些硅酸二钙晶体结构是否具有硅酸三钙同样的活性，以便降低煅烧温度，节约燃料。
CSHub的研究人员发现，硅酸三钙晶体相对更易溶解于水，但硅酸二钙晶体不易与水发生反应。但佩林克认为这一结果也暗示某些杂质(如镁等)有助于硅酸二钙溶解于水，这将能加快硅酸二钙的硬化过程，从而成为建筑水泥的主要成分。
如果采用煅烧温度较低的硅酸二钙可能会引起一些新问题。CSHub工程师弗雷兹-约瑟夫·尤尔玛的研究团队发现，与硅酸三钙相比，将硅酸二钙碾磨成粉末需要多消耗4倍到9倍的能量，这将降低采用富含硅酸二钙熟料的减排效果。
美国弗吉尼亚州亚历山大市的一家小型水泥公司Ceratech则另辟蹊径——致力于寻求替代传统水泥熟料的解决方案。该公司从古罗马工程师们2000年前使用的水泥中获得灵感——采用火山灰作为天然水泥熟料，在火山灰中掺水使其发生反应生产水泥。
Ceratech公司正在利用粉煤灰作为水泥熟料。Ceratech公司在粉煤灰掺入若干种添加剂，然后将其用作水泥粉。这种工艺不需要加热过程，因此公司认为粉煤灰水泥石没有碳污染。
虽然某些水泥生产商数年前就已采用含有粉煤灰的混合物生产水泥，但其粉煤灰的比例只有15%。Ceratech公司行政副总裁马克·瓦西库指出，按照公司开发的新配方，粉煤灰比例高达95%，其余5%为液态添加剂。此外，由粉煤灰水泥制成的混凝土其强度高于各类传统水泥，因而可以减少建筑物的水泥使用量。同时也能使废弃物填埋场减少粉煤灰处理量374吨，二氧化碳减排效益可达320吨。
绿色水泥没有坦途
从经济效益等角度来考虑，相对于经过长期检验的传统水泥，选择绿色水泥目前有一定的风险，只有当建筑行业数以千计的生产商、工程师、建筑师、城市规划者、建筑监察员等都能以积极的态度对待绿色水泥时，这种风险才会降低。
展望未来，如果更多国家采用碳税或者限量与交易计划，势必将提高排放碳成本，人们对绿色水泥的认可程度肯定会发生积极的变化。目前可以采用一个更为实际的做法——建立示范性绿色水泥建筑物，以证明绿色水泥和各种混凝土材料的实际应用价值。
