LC3粘土切割水泥行业二氧化碳排放 - 彭博社

瑞士洛桑的洛桑联邦理工学院的实验室，研究人员正在努力完善低碳水泥配方。

摄影师：Stefan Wermuth/Bloomberg位于哥伦比亚里奥克拉罗的阿尔戈斯工厂每年可以生产多达230万吨水泥，用于建造从大坝和桥梁到摩天大楼和体育场的各种建筑。这使阿尔戈斯成为哥伦比亚最大的水泥制造商，但也是二氧化碳排放的主要生产者。

在里奥克拉罗，水泥和二氧化碳已经不间断地排放超过20年，当阿尔戈斯的首席执行官遇到一位名叫Karen Scrivener的学者时，她提出了一个简单的建议：改变水泥的配方，加入粘土，从而减少碳足迹。她称之为LC3，或石灰石煅烧粘土水泥。

经过四年的开发，里奥克拉罗的改造设施今年上线，使用的是大约10英里外开采的粘土，并在新建的窑中加工。阿尔戈斯表示，这项技术将能耗减少30%，并将碳排放减少近一半。“这完全是合理的，”该公司在哥伦比亚的负责人Tomás Restrepo说。“更少的二氧化碳意味着更少的煤或燃料，因此更有利可图。环境变化最好是在有经济激励的情况下发生。”

卡伦·斯克里文纳摄影师：斯特凡·维尔穆特/彭博社清理水泥行业的重要性难以夸大。人类消耗的水泥与食物一样多——每年40亿吨——而生产水泥大约占全球碳排放的7%。减少这一点需要无数小步骤，从减少水泥厂的碳排放到修订法规，使其更现实地考虑建筑的结构需求。根据一些估计，全球水泥消费量可以通过为每项工作使用合适的水泥，并且不倾倒超过必要的混凝土，简单地减半。

“混凝土非常便宜，人们系统性地过度使用它，”62岁的斯克里文纳说，她是瑞士洛桑联邦理工学院的教授。“我们可以减少水泥的生产，然后减少我们在混凝土中使用的水泥量，以及在建筑中使用的混凝土量。”

当然，有替代品：挪威建造了一座280英尺高的木塔，研究人员正在尝试使用竹子、回收建筑废料，甚至真菌来开发更环保的建筑材料。但在不久的将来完全取代混凝土是不现实的，尤其是在未来几十年大部分增长将发生的地方——如中国、印度和尼日利亚——这些地方除了混凝土外几乎没有其他选择来建造他们的住宅、医院和高速公路。“说我们不使用水泥有点像说你可以继续使用交通工具，但没有轮胎，”英格兰谢菲尔德大学的材料科学教授约翰·普罗维斯说。“我们必须制造更有效的水泥。”

水泥是通过将粉碎的石灰石与少量其他成分混合并在1450摄氏度（超过2600华氏度）下燃烧而制成的。结果是一种称为熟料的岩石状物质，类似于用于后院烧烤的木炭块。熟料被磨成粉末，并与其他几种矿物结合以生产水泥。

这一过程，自从英国砖瓦工约瑟夫·阿斯平于1824年申请专利的所谓波特兰水泥以来，几乎没有改变，这对二氧化碳排放来说是双重打击。用于加热窑炉的燃料和石灰石本身——数百万年前由海洋珊瑚和贝类形成——在燃烧时释放二氧化碳。每生产一吨水泥，空气中就会增加600-800公斤的二氧化碳。

混凝土则是通过将水泥与沙子和岩石结合，然后添加水以启动化学反应，使其硬化成一种无处不在且极其多用途的物质。阿斯平，这位英国砖瓦工，选择了波特兰水泥这个名称，因为他觉得他的成品类似于波特兰石，这在当时是英国一种受欢迎的建筑材料。他的配方使建筑商不必再搬运巨大的岩石块。相反，混凝土作为一种粘稠的液体，易于运输，可以倒入并塑造成人行道、高速公路、桥梁、建筑基础、墙壁、天花板以及几乎所有其他东西；至少一些混凝土几乎进入了工业化世界的每一个结构。

LC3可以通过两种方式减少行业的碳足迹：粘土含有很少的碳，因此在加热时几乎没有释放出来，并且可以在更可控的800摄氏度下燃烧，消耗更少的燃料。“归根结底，使用LC3你需要破碎的石灰石更少，而石灰石是导致大部分二氧化碳排放的原因，”斯克里文在她位于洛桑的办公室中说道，那里堆满了书籍、文件、纸张，以及空茶杯和水瓶。“当然，你需要热量来制造它，但所需的热量没有波特兰水泥那么多。”

斯克里文表示，碳税和交易计划的引入将推动采用。在欧洲，工业场所如钢铁厂和水泥厂被允许排放一定量的碳。如果它们的排放量较少，可以出售其额外的配额，但如果超过了配额，则必须从其他生产者那里购买许可证。在过去三年中，欧洲的碳价格已经上涨了三倍多，并且随着欧盟逐步降低限制，这一价格可能会继续上涨。

“情况会变得更加紧张，特别是在欧洲，这将对决策产生更大的影响，”世界水泥协会的首席执行官伊恩·赖利表示。“LC3会给我们一点时间，尽管我们还需要其他东西。”

洛桑联邦理工学院的校园。摄影师：斯特凡·维尔穆特/彭博社据斯克里文所说，世界各地几乎有无限的粘土供应，其中许多已经被开采，并作为陶瓷工业或纸张生产商拒绝的材料可用，后者将其用于涂层。许多混凝土制造商在他们的采石场中有成吨的粘土与沙子和砾石并排放置。

在EPFL的Scrivener三层实验室里，一个简朴的混凝土空间可以俯瞰日内瓦湖和法国阿尔卑斯山，学生们混合水泥批次，并使用扫描电子显微镜和光谱仪等精密仪器进行评估。实验室的早期任务之一是测试瑞士水电大坝的材料，因此在一个角落里有一个池塘，混凝土样本在这里浸泡了几十年，以观察它们的耐久性。（智利研究生Franco Zunino说，它们表现良好，他与Scrivener合作已有四年。）一个热室加速了老化过程，以研究长期耐久性。在地下室，巨大的机器粉碎或压实样本以测试其强度。

在LC3项目中，这些机器证明“我们可以用更少的熟料制造更强的水泥，”Zunino说。

实验室中有混凝土样本浸泡在水中，以测试瑞士水电大坝的材料。摄影师：Stefan Wermuth/BloombergArgos工厂是第一个大规模的煅烧粘土生产设施，但世界各地正在建设更多。葡萄牙生产商Cimpor正在象牙海岸的LC3工厂进行试运行。欧洲最大的水泥制造商拉法基-霍尔西姆预计明年将在法国和瑞士的工厂增加粘土窑。古巴正在建设20多个小型工厂，这些工厂将生产一种可以与标准水泥在建筑工地上混合的粘土混合物——根据古巴工程教授Fernando Martirena的说法，其成本比传统配方低约五分之一，他在这个想法上工作了十多年。

“我们以各种可能的方式使用了这种水泥，”马尔蒂雷纳说。“我们制作了混凝土块、抛光混凝土地板，甚至一整座房子。”

斯克里文纳在为她的毕生事业辩护时可以非常直言不讳：在会议上，她以“这是我听过的最愚蠢的主意”这样的爆发而闻名。她说，支持竞争技术的同事的工作“几乎是犯罪”。对于另一位研究者的理论，她说：“显然这毫无前途，但这些人却以这些材料建立了他们的学术声誉。”她认为，煅烧粘土是一个缓慢变化的行业唯一真正的希望。

并不是每个人都如此热情。巴西圣保罗大学建筑材料教授范德雷·约翰表示，使用LC3制成的混凝土在前七天内通常表现出比传统配方更低的强度。强度可能会在后期赶上——混凝土完全凝固需要一个月或更长时间——并且可以通过添加剂或更高质量的粘土来增强。但延误是昂贵的。“施工周期越短，投资者的回报就越好，”约翰说。

实验室的仪器测试各种混凝土配方的强度。摄影师：斯特凡·维尔穆特/彭博社巴西的沃托兰廷水泥公司表示，其使用类似于LC3的技术的项目因缺乏合适的粘土而受到拖延。“这并不像凯伦所说的那么简单，”德国联邦材料研究与测试院的工程师沃尔夫拉姆·施密特说。“每种粘土都是不同的。”

即使是斯克里夫纳也承认，LC3仅仅是一个部分解决方案，这就是为什么世界各地的研究人员正在寻找其他方法来减少行业的碳排放。一个选择是火山灰——所谓的火山灰，得名于意大利城市波佐利，靠近维苏威火山——这是罗马人用来建立他们帝国的水泥的关键成分。公司们早已用铁冶炼的炉渣或煤电厂的灰烬替代了一部分熟料。海德堡水泥的研究主任沃尔夫冈·迪内曼说，这两者都效果很好，但供应正在减少。“炉渣变得越来越贵，而粉煤灰正在消失，”他说。“我们正逐渐接近一个煅烧粘土越来越相关的时刻。”

在拉法基-霍尔西姆位于法国里昂市郊的庞大研究实验室中，大约200名科学家——斯克里夫纳曾是其中之一——正在努力到2030年将公司的二氧化碳排放减少15%。拉法基在水泥和混凝土生产方面的1300项专利中，有超过五分之二旨在减少碳排放，研究负责人埃德利奥·贝尔梅霍说。“我们必须推动更环保的解决方案，”贝尔梅霍说。“但我们必须在不妥协质量的情况下做到这一点。”

实验室的数十个项目从3D打印混凝土构件到加热水泥窑的替代方法，如燃烧垃圾或旧轮胎。一组正在制作需要更少水的混凝土。另一组则在混合物中添加木屑。第三组正在探索更好的方法来研磨沙子和砾石，以便减少制造混凝土所需的水泥。

在一个像仓库的房间里，文森特·迈耶和他的团队正在将混凝土的一个旧问题转变为解决方案。随着时间的推移，混凝土重新吸收部分在生产水泥时释放的二氧化碳，使其变得更加酸性，这可能会腐蚀内部的钢筋。迈耶利用拆除建筑物的废料来吸收水泥厂烟囱中的碳。“一吨回收混凝土可以吸收50公斤的二氧化碳，”他说。

类似于梅耶尔工作的东西——行业称之为碳捕集与储存——将是实现水泥生产净零排放所需的。这个想法是将二氧化碳分离出来，压缩，然后深埋地下，可能是在枯竭的油气井中。国际能源署表示，碳捕集将在2070年前占水泥行业排放减少的60%，尽管这项技术仍然远未成熟。

一座由石灰石煅烧粘土水泥建成的建筑，位于印度。来源：LC3项目对于斯克里文而言，使用粘土制造水泥的想法似乎很有前景，但它存在一个根本性的问题：所得到的混凝土强度不如传统品种。然后在2009年，斯克里文经历了她所称的“顿悟时刻”。通过在粘土和熟料的混合物中添加少量未加热的石灰石，她发现可以增强反应并提高混凝土的强度。“我们得到了这种惊人的改善，”斯克里文回忆道。“然后我们问自己，‘我们现在该怎么办？’”

她开始与生产商交谈，并在会议和贸易展上宣传。最初的反应是怀疑的。水泥行业的激烈竞争压低了利润率，许多生产商关闭了研究实验室，因此很少有人愿意尝试可能增加成本的任何东西。斯克里文最终找到了在印度和古巴感兴趣的团体，并成功说服了一些生产商尝试。

“凯伦是推动力，我们的导师和引导者，”印度非营利组织“农村发展技术与行动”的研究员Soumen Maity说，他是该国领先的LC3传播者。“你可以说她是火车的引擎，而我们都在她身后，提供额外的动力。”

在她努力开发一款具有竞争力的产品时，Scrivener遇到了许多挫折。一个早期的担忧是，粘土可能会使混凝土呈现红色调。虽然一些买家可能喜欢这样，但这与传统的灰色有所不同。因此，Scrivener的团队寻求利用几个世纪以来的砖块制造方法，通过调整加热后粘土的冷却方式来消除这个问题。

为了开发一种能够与传统混凝土竞争的产品，Scrivener的团队寻求利用几个世纪以来的砖块制造方法，以消除使用粘土所带来的红色调。摄影师：Stefan Wermuth/Bloomberg而生产商通常只是草率地寻找所需的粘土，然后决定他们没有任何粘土。Scrivener的回应是一个评估来自全球任何地方的粘土的项目。她收到了大约20家公司提交的约50份样本，发现几乎所有样本的高岭土含量都足够，正是这种矿物使粘土具有粘性。

“尽管这些粘土具有不同的特性，并且非常复杂，但有一个单一的决定性参数可以简单地测量，那就是高岭土含量，”她说。

尽管如此，她第一次真正的工业测试却与灾难擦肩而过。斯克里文纳一直在与马尔蒂雷纳的团队合作，他们在古巴开采了300吨粘土，并将其运送到一个位于西古阿内的苏联建造的水泥厂，这个小镇位于哈瓦那和圣地亚哥之间的干燥内陆。当粘土到达时，该地区正处于干旱中，处理所需的水不够。然后一场飓风袭来，淹没了该地区。当马尔蒂雷纳几个月后终于开始烧制粘土时，窑内的保护砖开始脱落。斯克里文纳回忆起在烧制的粘土中看到大块砖块，并认为实验会失败。但古巴人将混合物，包括砖块在内，研磨后制成了可用的水泥。

“如果他们能在这种情况下做到，”她说，“他们可以在任何地方做到。”