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水泥的重要性和水泥行业的未来

混凝土是世界上使用最广泛的土木工程材料,这得益于它便宜的价钱、巨大的产量。几乎是常识,制造混凝土需要水泥(还有水和砂石骨料)。但是,水泥被全世界许多人们认定为CO2(二氧化碳)碳排放量巨大的建筑材料,因为在生产水泥的过程中,燃料燃烧和石灰石煅烧分解的确会排放CO2(更不消说落后水泥厂的粉尘污染),大约一吨水泥会排放一吨CO2. 整个全球水泥行业排放的CO2总量,约占全世界非人为CO2排放量的5-8%,这不是一个小数字。

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也许会有人会说:人类能否找到替代水泥的更好的建筑材料?比如木材、钢材等。事实上这不可行,以木材为例,全球每年的木材消耗量远远超过重新植树的数量,有些地方甚至不能轻易获得木材作为主要的建筑材料,例如:非洲和中国的许多地方。至于钢材,它本身的价格相对水泥要贵得多,而且生产钢材的过程中也产生大量CO2. 事实上,水泥的生产过程相比较其它材料,其能源消耗并不高(混凝土更低)。

可以这样说,几乎无法找到完全替代水泥的建筑材料,这是由地球上的资源情况所决定。地球的地壳成分中,O, Si, Al, Fe, Ca, Na, K, Mg八种元素几乎占了98%,而这8种元素正是水泥的主要成分,要找到一种替代材料,也必然要包含这8种元素。

从长远来看,由发展中国家的城市化发展以及世界人口的增长速度来看,整个世界依然需要大量的水泥作为建筑材料。比如,在未来几十年来里,来自印度、中国等发展中国家的水泥需求量几乎要翻番。

既然我们依然需要使用水泥作为大量的建筑材料,我们如何能减轻CO2排放量?水泥行业的未来是什么样?虽然公众未必知晓,整个水泥行业和水泥科研领域却做了大量的工作,也取得了不小的成绩。

从水泥生产行业来说,一方面,水泥生产企业尝试使用垃圾(甚至有毒)作为燃料,比如用废旧的汽车轮胎作为燃料来生产水泥。在中国的三峡大坝地区,有人尝试,将三峡水库中漂浮的木材收集起来作为水泥生产的燃料。另一方面,整个水泥生产工艺也一直在优化过程中。欧洲的众多水泥生产企业能达到80%的能耗效率,这个成绩即使是以纯理论观点来看,也是一个了不起的成绩。

科研工作者们一直在研究如何减少使用水泥熟料。一个方法是使用辅助胶凝性材料(Supplementary Cementitious Materials)。辅助胶凝性材料通常是工业废料或者生产水泥的原材料,比如高炉矿渣、石灰石粉末(正是煅烧它才产生CO2)、火山灰、硅灰、天然火山灰。这些辅助胶凝性材料和水泥两掺或者三种材料混合使用,能够取代部分水泥熟料,并在工程性能上没有损失(有时在耐久性方面甚至有提高)。

但是,即使是辅助胶凝性材料,它们的数量也是有限的。有些地区并不一定能方便地获得辅助胶凝性材料,例如,如果一个地方没有炼钢厂,就不太可能有矿渣,将来甚至炼钢行业进行大革新,从而不再产生矿渣。针对这种情况,有研究者们试图利用几乎没有储量限制的钙化粘土。这些钙化粘土含有的高岭土成分具有类似水泥基材料的特性。在古巴进行的研究表明,用钙化粘土取代30%的水泥,获得了与波特兰水泥混凝土同等的3天强度,这说明钙化粘土如果能有效加以利用,在未来具有良好的使用前景。

总体来说,水泥是一种非常重要的建筑材料。对于未来水泥行业的CO2排放量,人类并不必过分担心。

英文原文:The importance of cement and its future

杞人忧天

上周去Brussels参加一个有企业参加的会议,看到比利时BESIX建筑公司真的在计算混凝土的CO2排放量,他们会给业主提供各种混凝土的CO2排放量,看来欧洲建筑行业不是把减轻碳排放量放在嘴上和研究领域。

最近,中国环境保护部出了一份《中国环境状况公报-2012》,在空气质量方面,报告显示“执行《环境空气质量标准》(GB3095-2012)后,达标城市比例仅为40.9%;113个环境保护重点城市环境空气质量达标城市比例为88.5%,按环境空气质量新标准评价,达标城市比例仅为23.9%。”

不到四分之一的大城市居民能呼吸到清洁空气,报告没有提及哪些城市具有新鲜空气,这是批评的艺术,指出哪些城市有新鲜空气也就指出其它城市没有新鲜空气。除了空气污染外,“全国三成的主要河流为污染或严重污染,超过五成的地下水检测点水质较差或极差(分别为40.5%和16.8%)。”

要是水污染了,还可以买水喝,可是空气污染了呢?室内装个空气净化器,室外呢?如果连分分秒秒都需要的新鲜空气都没有了,谁赚的钱多不过是买的棺材更豪华一些。

算了,我是杞人,在忧天。我的老家还没有工业,所以暂时污染不严重。我想好了,大不了我回老家放牛,还可以每年不费劲地喝到老家的山茶。然后,就像我的同乡谭国清先生所说,老死后埋在老家山上的某棵映山红树下,让我的儿子带着儿子的儿子,每年清明节时来看我。

第13届国际水泥化学大会之杂谈[中]

中国这次参与第13届国际水泥化学大会(International Congress on the Chemistry of Cement)的人员很多。清华大学、东南大学、南京工业大学、华南理工大学、武汉理工、湖南大学、济南大学、中国建筑材料研究院、中国铁道科学研究院等科研单位和学校都派有人员参加,这是一般国际会议看不到的场面。

具体到个人,70多岁的东南大学教授孙伟院士,国际有名的史才军教授,香港科技大学的李宗津教授,华南理工大学材料工程学院院长余其俊教授等,都参加了会议。很巧的是我和这些国内来的人员居然住在同一个酒店:一下子与这些牛人们有了这么近的距离,孙院士居然就住在我的隔壁,还见到了陈伟老师——虽然我早已看过他的博士论文,刚开始见面时,根本就没有想到对方是谁。在特殊的场合真的很容易见面,因为行业的圈子并不大。

在这次大会上,中国成功申请到了第14届ICCC大会主办权,将于2015年在北京召开。这次参与申请的还有澳大利亚,墨西哥,巴西三个国家,中国得到这个成功申请的结果并不容易。虽然中国的水泥产量近30年世界第一,但这是中国连续5次申请此大会的主办权唯一成功的一次!第一次没有重视,第二次也没有申请上,第三次被一不喜欢中国的人搅局了,第四次非典时期国内未能亲自去参加申请,委托别人作的报告和申请,结果也是失败告终,中方曾一度放弃重新申请——这一次更是决定万一失败永不再申请。

今年这回由中国建筑材料研究院和中国硅酸盐协会牵头,国内30多所开设水泥研究专业的高校支持,并得到了科技部和北京市的支持,气势自然比以前比其它国家都要壮观,并且在建材院姚燕院长的亲自带队下,最终如愿以偿,也算是出了一口恶气。