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die rose的博客

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我不可能做到别人要求我做每一件事,我只有足够时间去做我该去做的事情。如果我无法把每件事情都作到尽善尽美,这便意味着我想做的事情已经超过了我该去做。认清了自己的人生坐标,我的生活变得更为简单了,作息安排也更为合理。 魅力由它而生,它是苦难的根源,也是塑造坚强现在的原因。愿意相信别人,能够承担别人的信任,相信别人却是极其艰难的决定。心底的秘密存在于过去,找到那个能接受过去的人,就能有勇气焚毁所有的担心,融化冰封的城堡,让世界大地回春。

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“绿色”水泥简史  

2012-05-12 14:48:46|  分类: message |  标签: |举报 |字号 订阅

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“绿色”水泥简史 - die rose - die rose的博客

水泥是世界上人类使用的仅次于水的物质,水泥生产配方中要求对石灰岩加热,这要用到石化燃料。而在加热石灰岩以及燃料燃烧时,产生的二氧化碳气体散入大气层,都会导致全球变暖。水泥制造是世界上人为二氧化碳排放总量中占了5%的比例;在美国,只有石油燃料的消费(用于交通、电力、化工制造等用途)以及钢铁工业,超过水泥制造排放出更多的温室气体。随着象中国以及印度这样的新兴国家用水泥浇注他们的崛起的时候,水泥的污染赫然成为最突出的全球性问题。这是一篇科普小文章,觉得日常熟见的水泥,却有许多东西我所不懂的。去年2011年12月发表的旧文。

“绿色”水泥简史

在伦敦帝国大学一座简陋而又粗糙的七层建筑中的会议室里,灯火通明,正举行有关环境主题的研讨会。在会上环境工程师尼古拉斯·瓦拉斯普鲁斯(Nikolaos Vlasopoulos)说道,“大家知道,水泥无处不在,我们被水泥所包围。”

去年(译注:2010年),世界各国共生产了36亿吨的水泥(一种矿物质混合物,当加入水、沙子以及其他材料时变硬固化为混凝土),并且在2050年这个数据将会再提高10亿吨。从总体积来看,水泥是世界上人类使用的仅次于水的物质。

水泥是最重要的建筑材料之一。位于车里雅宾斯克地区朋沃明斯基村的拉法格工厂,自1957年开始生产水泥,是世界上最大水泥厂之一。通过位于俄罗斯的,我们可以有机会一窥究竟。

瓦拉斯普鲁斯说,水泥的优点很早就显露无遗:廉价,浇注定形,而且某些尚说不清的原因,可坚如磐石。但是,另一个重要的细节却鲜为人知:水泥不清洁。不清洁并非指在你的衣服上无法清除,虽然这个问题伴随建筑工人几个世纪。水泥的关键配料是石灰岩,主要成份是碳酸钙,即壳类海洋生物的遗存。水泥生产配方中要求对石灰岩加热,这需要石化燃料。当加热石灰岩时析出的二氧化碳气体,以及燃料燃烧产生的二氧化碳,进入大气层,都会导致全球变暖。水泥制造在世界上人为二氧化碳排放总量中占了5%的份额;在美国,只有石油燃料的消费(用于交通、电力、化工制造等用途)以及钢铁工业,超过水泥制造排放出更多的温室气体。随着象中国以及印度这样的新兴国家用水泥浇注他们的崛起的时候,水泥的污染赫然成为最突出的全球性问题。

如果水泥造成空气的极大污染为公众所普遍忽视,而31岁的瓦拉斯·普鲁斯却对其关注已久。瓦拉斯普鲁斯在希腊港口城市佩特雷长大,父亲是一名工程师,母亲在银行工作,在色雷斯德莫克利特大学( Dimokriteio Panepistimio Thrakis 译注:一直查不到这个大学的中译名,可查找维基)学习环境工程学,瓦拉斯普鲁斯夏天回到家乡期间,他和他的叔叔在一个水泥工厂工作。这也算是阴差阳错。他的工作是组装测量二氧化碳排放水平的设备。排放量非常高;工厂毎生产一吨水泥往往产生近一吨的二氧化碳。瓦拉斯普鲁斯认为这项工作是有些意思,但他不会把水泥当作他的人生未来。它是无聊、老土、肮脏的。

当时他正攻读帝国大学工程师博士学位,他的一位指导教授获得了一项基金,用于检测由一家澳大利亚公司制造出的一种新型水泥。这位名叫克里斯托弗·基斯曼(Christopher Cheeseman)的教授说服了瓦拉斯普鲁斯在这个项目上共同协作,并且取得了博士学位。“这是个机会去做不错的工作。”瓦拉斯普鲁斯以其惯有的轻描淡写说道。

水泥的历史可上溯到1824年,当时一位叫约瑟夫·阿斯普丁的英国砖匠,获得了实物专利,因为其与波特兰市的灰色石头相似,他把其叫作“波特兰水泥”。

水泥制造由二个阶段组成:首先是备料(这个过程有些复杂),其次就是与特定的添加物混合研磨。

接着,经过几道程序后,原料进入了磨粉机,经过再加工处理,变成为粉泥状。

在人类历史的早期,人们就试图打造更好的凝结物。2000多年以前,罗马人发明了把石灰、火山灰以及石块掺在一起组成混凝土,用于建造海港、纪念碑、建筑物等各种城市构建要素,如万神殿和罗马圆形大剧场。在19世纪20年代,距帝国大学200英里的英国里德,一位名叫约瑟夫·阿斯普丁(Joseph Aspdin)的石匠师傅发明了现代水泥。阿斯普丁在厨房里加热一种由研磨过的石灰岩和粘土混合物。当他加入水以后,这种混合物板结硬化。工业革命的基础材料就此诞生了!由于这种材料看上去与产自波特兰岛上建筑流行石料相似,阿斯普丁把他的创造物命名为波特兰水泥;在1824,以“人造新式石头工艺的改进”注册了这项发明专利。

接下来,泥粉被放进了旋转熔炉中(200米长,4米径),1450摄氏度下锻烧。

澳大利亚的研发者在波特兰水泥中掺入氧化镁,试验一项新配方。因为氧化镁取代了一部分石灰岩,并且氧化镁也不用加热到那么高的温度,所以他们希望能减少碳排放。石灰岩必须加热到1427摄氏度,而适用于水泥的氧化镁只要705度,这个温度可以通过生物或者其他燃料实现,从而减少碳的排放和石化燃料的消耗。

在锻烧的时候,物质成份融合,成为熟料; 然后,熟料在冷室中冷却,并粉碎;冷却后的熟料再进入磨粉机,进行研磨;

接下去,波特兰水泥熟料,石膏,以及特定的添加物被一起粉碎。

但是瓦拉斯普鲁斯很快就发觉到这种混合物并不会减少二氧化碳的总体排放。由于氧化镁是通过加热碳酸镁而生产的,这个过程本身就排放二氧化碳,在一些检测中,排放量接近于二倍。

“现在想起来,我感到非常的失望,因为当你看到你所研究的项目实际上并不是你所认为理所当然的时候,你就失去动力了,”他说道。“但是我们觉得这是一个非常值得做的项目,一个很有价值的想法,我们就想去找到另一种方法来解决这个问题。”

在2004年瓦拉斯普鲁斯投身这个问题的时候,世界上最大的水泥公司正在寻找新方法让波特兰水泥对环境更具有亲和性。生产商加入了象矿渣这样的炼钢副产品、象粉煤灰这类煤渣,以及象氧化镁这类成份,增加水泥混合物的体积的同时,减少波特兰水泥的需要量。他们试验加入矿物添加剂来降低水泥原料所必需的加热温度。

但是对水泥的化学过程知之不多,改进就难度重重。麻省理工混凝土可持续发展中心(打造“绿色”水泥的几个学术倡导者之一)主持者水泥化学专家哈姆林·詹宁斯(Hamlin Jennings)说到:“实际上,我们对这些东西如何变硬的化学过程一无所知,我觉得,世界上使用的所有建筑材料,没有一个会象波特兰水泥一样,对其知之甚少。”

当水泥公司对原始配方进行修修补补之际,瓦拉斯普鲁斯另起炉灶。“你只能对波特兰水泥改进这么多,已是山穷水尽了,”他说,“它只能那样子了,你只能在他在他的成份基础上打圈圈。我们应当另谋出路。”瓦拉斯普鲁斯看上了用氧化镁替代石灰岩构成水泥的主意,但是必须用另一种材料来让它板结硬化。氧化镁单独和水拌在一起并不会出现这种情况——混合物只会成为浆状。另外他必须找到不会排放那么多二氧化碳的其他氧化镁来源。他决定的这类原料是硅酸镁,可从滑石、蛇纹石、橄榄石中提取的非碳混合物。世界上这种材料的总供给量为10万亿吨,这是至关重要的因素,因为巧妇奈何无米之饮呢?

瓦拉斯普鲁斯并不热情的解释他的试验混合物是如何起作用。他的秘方或许会是个非常有利可图的秘密。几项专利已经注册。他对此将会披露更多:几年以前,他就开始把氧化镁、水以及他制造的几种化学混合物混合。混合物板结硬化成一个小球。他把它带到基斯曼办公室,“你可以感觉到这个小球所散放出来的热量,”基斯曼说到。“很明显,肯定发生着什么事。”能量正在释放,化学反应正进行着。他们也没有欣喜若狂。“我是说,我们在这儿刚谈到的那种水泥,还并不是世界上所想要的,”基斯曼说到,“我并没有兴奋异常,但是这个想法很诱人。”

瓦拉斯普鲁斯在氧化镁和水中加入的让混合物变硬的化学物是碳酸镁,这是他通过在其他原料中加入二氧化碳而制成。从某个角度来说,这意味着这种水泥并非是碳中立——每生产一吨瓦氏水泥,就能吸收0.1吨的二氧化碳。

最后,在基斯曼的帮助下,瓦拉斯普鲁斯成立了开发新式水泥的公司——诺瓦西姆( Novacem)公司。这个十几个员工的公司,合伙人是世界几个最大的几个水泥公司 ,位于帝国大学为创业公司所设立的企业孵化园中。而这个机构里的其他几个公司是生命科学创业公司,实验室里摆放着的是基因检序设备以及试验试管,而诺瓦西姆的实验室是一个空旷的工厂,制造剌耳的噪音,大量的灰尘和一块又一块的水泥。这是继罗马时代之后在伦敦市中心的第一个水泥工厂。

戴着安全帽、护目镜、面罩以及白色实验服的工人们,在这缩微版的水泥工厂里忙忙碌碌,一点儿也不象瓦拉斯普鲁斯在那个夏天上班的那个工厂。

虽然还得调适流程,诺瓦西姆公司至少正与其它五个公司和大学研究中心竞争制造出绿水泥。“目前,碳排放聚集了所有的目光,许多公司脱颖而出。”麻省理工大学的詹宁斯说道。“大家都看到机会近在咫尺。”一年1700亿美元的水泥工业,投资资金是纷涌而入。

一个叫卡利拉( Calera)的加州公司采用的方式或许是最与众不同:利用电力工厂排出的二氧化碳,与海水或盐水混和来生产用于制造水泥的碳酸盐。碳酸盐可替代石灰岩,加入波特兰水泥减少石灰岩的使用总量。卡利拉公司得到投资家维诺德·科斯拉( Vinod Khosla)5000万美元的投资支持,这位计算机工程师,或许是硅谷最受人尊敬且在绿色技术方面最财大气粗的投资者。“我们实际上正在制造不排放二氧化碳的水泥,”卡利拉公司的创建者伯兰特·康斯坦兹说道。“实际上,我们是把排放进大气层的二氧化碳重新塞进水泥。”这项技术仍处于研发阶段,在加利福尼亚的莫斯兰丁有一个示范工厂,在中国内蒙古一个煤矿附近与一个集团合作建立了一个工厂,他们在那儿计划利用排放的二氧化碳制造水泥。

澳大利亚的卡里克斯(Calix)公司利用高温蒸汽来制造水泥,此种方式不仅改变了水泥的构成,也使它们更为洁静,有更高的化学活性。这个流程也分离出二氧化碳,让其更易于捕捉二氧化碳气体而不进入大气层。

路易斯安那理工大学,象诺瓦西姆和卡里拉一样,正在尝试着完全排除石灰岩的使用;它使用的一种叫作地质聚合物的粘剂,这种化合物由煤灰、氢氧化钠和氢氧化钾制成。

“快要水落石出了,肯定会有一种方法会凑效,”詹宁斯说道。

在初期阶段,诺瓦西姆水泥的最大质疑者来自英国最大的私有建筑公司——莱恩欧洛克(Laing O’Rourke)公司。迪拉杰·巴德瓦杰( Dheeraj Bhardwaj)行政主管密切关注着大学实验室里钱景光明的工作动态,通过他的学术关系,听说到了诺瓦西姆公司的产品。他看到这 个水泥化学品,以为事情已经尘埃落定,并在几年前就把这个想法汇报给了董事长,董事长对此疑惑重重。他说,这种水泥抗压强度绝不可能到可适用于商业推广。石灰岩是少不了的。当诺瓦西姆公司的材料达到40MPa硬度(结构稳定性所必需的强度绝对最小值)的时候,那么他可能会被打动。

7天以后,放在仪器中的一小块诺瓦西姆水泥达到了那项标准。28天以后,达到了60MPa。迪拉杰·巴德瓦杰把这个结果给了董事长。他说,“我们就用它了。”莱恩欧洛克公司现在是诺瓦西姆公司的一个主要合伙经过多次改进后,诺瓦西姆水泥硬度接近80MPa。用诺瓦西姆水泥制成的混凝土可与一些标准混凝土相比美。

诺瓦西姆公司的其他合秋人,包括世界上最大的建材生产商巴黎的拦法基集团( Lafarge),以及力拓集团(Rio Tinto),一个伦敦全球矿业公司正热切希望帮助诺瓦西姆公司开采硅酸镁。

“水泥工业的经济重要性日渐提升,在科学上的重要性也正在发展,”对于所有不同的实验方法,詹宁斯说道。“世界正在改变,每一个人包括所有的水泥公司,将需要尽可能的更为环保,并注意让世界变得更美好些。”

詹宁斯并不认可所有的新式水泥。“但是对诺瓦西姆公司的成果,”他说,“那是非常引人关注的想法。”

迪拉杰·巴德瓦杰对此表态更积极。他说最近他去了工程队那儿。“实话实说,别打埋伏,”他对他们说。“把碳问题放一边。你认为这些东西接近波特兰水泥?”答案让他大吃一惊:他们说还更好。为什么?不仅仅在于他的抗压强度,还在于它是纯白的,波特兰水泥是浅灰色。“你可以给这种水泥加上颜色,”巴德瓦杰说。“想象一下,你喜欢你家中的墙什么颜色就有什么颜色。”

在展示公司的水泥样本工厂时,瓦拉斯普鲁斯解释说,这种水泥是可爱的白色调。关于隔壁的生物实验室,他说,“我们动静更大,”接着说到:“他们在那儿治疗病人。我们在也治疗一些东西。”在他面前的一架粗笨机器,正处于空转间隙,连接的长管呯呯乱响,运转着的搅拌器吐出一桶的诺瓦西姆水泥。

瓦拉斯普鲁斯昨天刚向他的女朋友求婚(当然她同意了),他心情舒畅。在房间的一个角落里,他把其称作为“我们的博物馆”。在一张小桌上,是诺瓦西姆公司的早期水泥产品。他们看上去象是儿童积木,只不过布满灰尘。“这些都不够好,”他说,拿起一块显然不大结实的切割样品,“我们现在知道我们的方向是什么。”这个工厂每年可以制造大约五吨的水泥。公司动作的另一个工厂里,每年将生产200吨的水泥。如果进展顺利,公司可能向全世界水泥生产商发放他的配方许可证。

公司的主要阻碍,就得不得不面对波特兰水泥的漫长历史。在1824年的那个下午的约瑟夫·阿斯普丁的厨房里开始,水泥已经广泛运用。“水泥人们很久以来就随处可见,”巴德瓦杰说道,“人们信赖它,经历几百年风雨的建筑,人们随处可见。而对诺瓦西姆来说,耐用性的证明还要假以时日,他们的步伐不得不放慢些。如果我用诺瓦西姆水泥建造一座桥或是一幢建筑,我怎么去说服人们诺瓦西姆是很好的?难的是在这儿。没人想看到建造的桥倒塌。”

当问道是否他会不会走过一座用诺瓦西姆水泥建造的桥时。巴德瓦杰说,“我对此绝不迟疑。但是那桥还没出现呢。”

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