LC3粘土切割水泥行業二氧化碳排放 - 彭博社

瑞士洛桑的洛桑聯邦理工學院的實驗室，研究人員正在努力完善低碳水泥配方。

攝影師：Stefan Wermuth/Bloomberg位於哥倫比亞里奧克拉羅的阿爾戈斯工廠每年可以生產多達230萬噸水泥，用於建造從大壩和橋樑到摩天大樓和體育場的各種建築。這使阿爾戈斯成為哥倫比亞最大的水泥製造商，但也是二氧化碳排放的主要生產者。

在里奧克拉羅，水泥和二氧化碳已經不間斷地排放超過20年，當阿爾戈斯的首席執行官遇到一位名叫Karen Scrivener的學者時，她提出了一個簡單的建議：改變水泥的配方，加入粘土，從而減少碳足跡。她稱之為LC3，或石灰石煅燒粘土水泥。

經過四年的開發，里奧克拉羅的改造設施今年上線，使用的是大約10英里外開採的粘土，並在新建的窯中加工。阿爾戈斯表示，這項技術將能耗減少30%，並將碳排放減少近一半。“這完全是合理的，”該公司在哥倫比亞的負責人Tomás Restrepo説。“更少的二氧化碳意味着更少的煤或燃料，因此更有利可圖。環境變化最好是在有經濟激勵的情況下發生。”

卡倫·斯克裏文納攝影師：斯特凡·維爾穆特/彭博社清理水泥行業的重要性難以誇大。人類消耗的水泥與食物一樣多——每年40億噸——而生產水泥大約佔全球碳排放的7%。減少這一點需要無數小步驟，從減少水泥廠的碳排放到修訂法規，使其更現實地考慮建築的結構需求。根據一些估計，全球水泥消費量可以通過為每項工作使用合適的水泥，並且不傾倒超過必要的混凝土，簡單地減半。

“混凝土非常便宜，人們系統性地過度使用它，”62歲的斯克裏文納説，她是瑞士洛桑聯邦理工學院的教授。“我們可以減少水泥的生產，然後減少我們在混凝土中使用的水泥量，以及在建築中使用的混凝土量。”

當然，有替代品：挪威建造了一座280英尺高的木塔，研究人員正在嘗試使用竹子、回收建築廢料，甚至真菌來開發更環保的建築材料。但在不久的將來完全取代混凝土是不現實的，尤其是在未來幾十年大部分增長將發生的地方——如中國、印度和尼日利亞——這些地方除了混凝土外幾乎沒有其他選擇來建造他們的住宅、醫院和高速公路。“説我們不使用水泥有點像説你可以繼續使用交通工具，但沒有輪胎，”英格蘭謝菲爾德大學的材料科學教授約翰·普羅維斯説。“我們必須製造更有效的水泥。”

水泥是通過將粉碎的石灰石與少量其他成分混合並在1450攝氏度（超過2600華氏度）下燃燒而製成的。結果是一種稱為熟料的岩石狀物質，類似於用於後院燒烤的木炭塊。熟料被磨成粉末，並與其他幾種礦物結合以生產水泥。

這一過程，自從英國磚瓦工約瑟夫·阿斯平於1824年申請專利的所謂波特蘭水泥以來，幾乎沒有改變，這對二氧化碳排放來説是雙重打擊。用於加熱窯爐的燃料和石灰石本身——數百萬年前由海洋珊瑚和貝類形成——在燃燒時釋放二氧化碳。每生產一噸水泥，空氣中就會增加600-800公斤的二氧化碳。

混凝土則是通過將水泥與沙子和岩石結合，然後添加水以啓動化學反應，使其硬化成一種無處不在且極其多用途的物質。阿斯平，這位英國磚瓦工，選擇了波特蘭水泥這個名稱，因為他覺得他的成品類似於波特蘭石，這在當時是英國一種受歡迎的建築材料。他的配方使建築商不必再搬運巨大的岩石塊。相反，混凝土作為一種粘稠的液體，易於運輸，可以倒入並塑造成人行道、高速公路、橋樑、建築基礎、牆壁、天花板以及幾乎所有其他東西；至少一些混凝土幾乎進入了工業化世界的每一個結構。

LC3可以通過兩種方式減少行業的碳足跡：粘土含有很少的碳，因此在加熱時幾乎沒有釋放出來，並且可以在更可控的800攝氏度下燃燒，消耗更少的燃料。“歸根結底，使用LC3你需要破碎的石灰石更少，而石灰石是導致大部分二氧化碳排放的原因，”斯克裏文在她位於洛桑的辦公室中説道，那裏堆滿了書籍、文件、紙張，以及空茶杯和水瓶。“當然，你需要熱量來製造它，但所需的熱量沒有波特蘭水泥那麼多。”

斯克裏文表示，碳税和交易計劃的引入將推動採用。在歐洲，工業場所如鋼鐵廠和水泥廠被允許排放一定量的碳。如果它們的排放量較少，可以出售其額外的配額，但如果超過了配額，則必須從其他生產者那裏購買許可證。在過去三年中，歐洲的碳價格已經上漲了三倍多，並且隨着歐盟逐步降低限制，這一價格可能會繼續上漲。

“情況會變得更加緊張，特別是在歐洲，這將對決策產生更大的影響，”世界水泥協會的首席執行官伊恩·賴利表示。“LC3會給我們一點時間，儘管我們還需要其他東西。”

洛桑聯邦理工學院的校園。攝影師：斯特凡·維爾穆特/彭博社據斯克裏文所説，世界各地幾乎有無限的粘土供應，其中許多已經被開採，並作為陶瓷工業或紙張生產商拒絕的材料可用，後者將其用於塗層。許多混凝土製造商在他們的採石場中有成噸的粘土與沙子和礫石並排放置。

在EPFL的Scrivener三層實驗室裏，一個簡樸的混凝土空間可以俯瞰日內瓦湖和法國阿爾卑斯山，學生們混合水泥批次，並使用掃描電子顯微鏡和光譜儀等精密儀器進行評估。實驗室的早期任務之一是測試瑞士水電大壩的材料，因此在一個角落裏有一個池塘，混凝土樣本在這裏浸泡了幾十年，以觀察它們的耐久性。（智利研究生Franco Zunino説，它們表現良好，他與Scrivener合作已有四年。）一個熱室加速了老化過程，以研究長期耐久性。在地下室，巨大的機器粉碎或壓實樣本以測試其強度。

在LC3項目中，這些機器證明“我們可以用更少的熟料製造更強的水泥，”Zunino説。

實驗室中有混凝土樣本浸泡在水中，以測試瑞士水電大壩的材料。攝影師：Stefan Wermuth/BloombergArgos工廠是第一個大規模的煅燒粘土生產設施，但世界各地正在建設更多。葡萄牙生產商Cimpor正在象牙海岸的LC3工廠進行試運行。歐洲最大的水泥製造商拉法基-霍爾西姆預計明年將在法國和瑞士的工廠增加粘土窯。古巴正在建設20多個小型工廠，這些工廠將生產一種可以與標準水泥在建築工地上混合的粘土混合物——根據古巴工程教授Fernando Martirena的説法，其成本比傳統配方低約五分之一，他在這個想法上工作了十多年。

“我們以各種可能的方式使用了這種水泥，”馬爾蒂雷納説。“我們製作了混凝土塊、拋光混凝土地板，甚至一整座房子。”

斯克裏文納在為她的畢生事業辯護時可以非常直言不諱：在會議上，她以“這是我聽過的最愚蠢的主意”這樣的爆發而聞名。她説，支持競爭技術的同事的工作“幾乎是犯罪”。對於另一位研究者的理論，她説：“顯然這毫無前途，但這些人卻以這些材料建立了他們的學術聲譽。”她認為，煅燒粘土是一個緩慢變化的行業唯一真正的希望。

並不是每個人都如此熱情。巴西聖保羅大學建築材料教授範德雷·約翰表示，使用LC3製成的混凝土在前七天內通常表現出比傳統配方更低的強度。強度可能會在後期趕上——混凝土完全凝固需要一個月或更長時間——並且可以通過添加劑或更高質量的粘土來增強。但延誤是昂貴的。“施工週期越短，投資者的回報就越好，”約翰説。

實驗室的儀器測試各種混凝土配方的強度。攝影師：斯特凡·維爾穆特/彭博社巴西的沃託蘭廷水泥公司表示，其使用類似於LC3的技術的項目因缺乏合適的粘土而受到拖延。“這並不像凱倫所説的那麼簡單，”德國聯邦材料研究與測試院的工程師沃爾夫拉姆·施密特説。“每種粘土都是不同的。”

即使是斯克裏夫納也承認，LC3僅僅是一個部分解決方案，這就是為什麼世界各地的研究人員正在尋找其他方法來減少行業的碳排放。一個選擇是火山灰——所謂的火山灰，得名於意大利城市波佐利，靠近維蘇威火山——這是羅馬人用來建立他們帝國的水泥的關鍵成分。公司們早已用鐵冶煉的爐渣或煤電廠的灰燼替代了一部分熟料。海德堡水泥的研究主任沃爾夫岡·迪內曼説，這兩者都效果很好，但供應正在減少。“爐渣變得越來越貴，而粉煤灰正在消失，”他説。“我們正逐漸接近一個煅燒粘土越來越相關的時刻。”

在拉法基-霍爾西姆位於法國里昂市郊的龐大研究實驗室中，大約200名科學家——斯克裏夫納曾是其中之一——正在努力到2030年將公司的二氧化碳排放減少15%。拉法基在水泥和混凝土生產方面的1300項專利中，有超過五分之二旨在減少碳排放，研究負責人埃德利奧·貝爾梅霍説。“我們必須推動更環保的解決方案，”貝爾梅霍説。“但我們必須在不妥協質量的情況下做到這一點。”

實驗室的數十個項目從3D打印混凝土構件到加熱水泥窯的替代方法，如燃燒垃圾或舊輪胎。一組正在製作需要更少水的混凝土。另一組則在混合物中添加木屑。第三組正在探索更好的方法來研磨沙子和礫石，以便減少製造混凝土所需的水泥。

在一個像倉庫的房間裏，文森特·邁耶和他的團隊正在將混凝土的一箇舊問題轉變為解決方案。隨着時間的推移，混凝土重新吸收部分在生產水泥時釋放的二氧化碳，使其變得更加酸性，這可能會腐蝕內部的鋼筋。邁耶利用拆除建築物的廢料來吸收水泥廠煙囱中的碳。“一噸回收混凝土可以吸收50公斤的二氧化碳，”他説。

類似於梅耶爾工作的東西——行業稱之為碳捕集與儲存——將是實現水泥生產淨零排放所需的。這個想法是將二氧化碳分離出來，壓縮，然後深埋地下，可能是在枯竭的油氣井中。國際能源署表示，碳捕集將在2070年前佔水泥行業排放減少的60%，儘管這項技術仍然遠未成熟。

一座由石灰石煅燒粘土水泥建成的建築，位於印度。來源：LC3項目對於斯克裏文而言，使用粘土製造水泥的想法似乎很有前景，但它存在一個根本性的問題：所得到的混凝土強度不如傳統品種。然後在2009年，斯克裏文經歷了她所稱的“頓悟時刻”。通過在粘土和熟料的混合物中添加少量未加熱的石灰石，她發現可以增強反應並提高混凝土的強度。“我們得到了這種驚人的改善，”斯克裏文回憶道。“然後我們問自己，‘我們現在該怎麼辦？’”

她開始與生產商交談，並在會議和貿易展上宣傳。最初的反應是懷疑的。水泥行業的激烈競爭壓低了利潤率，許多生產商關閉了研究實驗室，因此很少有人願意嘗試可能增加成本的任何東西。斯克裏文最終找到了在印度和古巴感興趣的團體，併成功説服了一些生產商嘗試。

“凱倫是推動力，我們的導師和引導者，”印度非營利組織“農村發展技術與行動”的研究員Soumen Maity説，他是該國領先的LC3傳播者。“你可以説她是火車的引擎，而我們都在她身後，提供額外的動力。”

在她努力開發一款具有競爭力的產品時，Scrivener遇到了許多挫折。一個早期的擔憂是，粘土可能會使混凝土呈現紅色調。雖然一些買家可能喜歡這樣，但這與傳統的灰色有所不同。因此，Scrivener的團隊尋求利用幾個世紀以來的磚塊製造方法，通過調整加熱後粘土的冷卻方式來消除這個問題。

為了開發一種能夠與傳統混凝土競爭的產品，Scrivener的團隊尋求利用幾個世紀以來的磚塊製造方法，以消除使用粘土所帶來的紅色調。攝影師：Stefan Wermuth/Bloomberg而生產商通常只是草率地尋找所需的粘土，然後決定他們沒有任何粘土。Scrivener的回應是一個評估來自全球任何地方的粘土的項目。她收到了大約20家公司提交的約50份樣本，發現幾乎所有樣本的高嶺土含量都足夠，正是這種礦物使粘土具有粘性。

“儘管這些粘土具有不同的特性，並且非常複雜，但有一個單一的決定性參數可以簡單地測量，那就是高嶺土含量，”她説。

儘管如此，她第一次真正的工業測試卻與災難擦肩而過。斯克裏文納一直在與馬爾蒂雷納的團隊合作，他們在古巴開採了300噸粘土，並將其運送到一個位於西古阿內的蘇聯建造的水泥廠，這個小鎮位於哈瓦那和聖地亞哥之間的乾燥內陸。當粘土到達時，該地區正處於乾旱中，處理所需的水不夠。然後一場颶風襲來，淹沒了該地區。當馬爾蒂雷納幾個月後終於開始燒製粘土時，窯內的保護磚開始脱落。斯克裏文納回憶起在燒製的粘土中看到大塊磚塊，並認為實驗會失敗。但古巴人將混合物，包括磚塊在內，研磨後製成了可用的水泥。

“如果他們能在這種情況下做到，”她説，“他們可以在任何地方做到。”