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全球視角下的水泥混凝土材料應用現狀

備受關注的國內一部關于材料歷史及未來的科普作品《材料簡史及材料未來:材料減量化新趨勢》(Making the Modern World:Materials and Dematerialization)一書,近期由電子工業出版社出版發行。該書作者瓦茨拉夫·斯米爾(VACLAVSMIL)為從事能源、環境等方面研究的學者,其《收割生物圈》、《美國制造》等作品影響深遠。比爾·蓋茨曾撰寫讀書筆記對該書進行專門推薦。該書考察了整個人類歷史進程中出現的各種重要材料提取、生產及主要應用的歷史變遷,探討了現代經濟的成本依賴現象及其去材料化的內在潛質。其跨學科主題為具有資源經濟學、環境學、能量分析、礦物地質學、產業組織學、制造業及材料科學等研究背景的讀者提供了頗為實用的觀點。以下是該書中關于建材行業的部分。

重要的事·建筑材料  

在回顧21世紀早期世界建筑材料的生產與使用前,我指出現在仍有數億人口居住在使用當地黏土建成的住宅中——貝格認為這會占到世界總人口的30%以上;這些材料沒有經過復雜的處理,也不需要任何現代能源的投入。雖然土坯房只需要使用幾種簡單的工具,但建造起來相當費力。  

大宗建筑材料(雜料)占到了每年礦物開采量的大部分,其分類依據的不是各自的化學成分,而是基本的物理特性——粒徑。建筑雜料一般包括沙、礫石和碎石。沙和礫石的產量與建筑業的盛衰息息相關,遭遇不景氣時會急速收縮:在美國,它們的產量從2007年的12.5億噸猛然降至2010年的僅7.6億噸,短短三年間下滑了40%。  

制磚是世界上古老的行業之一,中國的大規模建設已將其產量提升到了新的度:2010年,磚在中國的產量至少達到9000億塊,接近全球的60%。按照每塊磚平均重2.8千克的保守估計,磚在2010年的全球總量將達45億噸,而水泥只有33億噸。從量上看,沙、天然礫石或碎石構成了混凝土的主要原材料,占比接近60%。使用不同的雜料能生產出各種特定的混凝土。  

水泥的終用途因而異:在美國,大約75%的水泥被用來制作預拌混凝土,近15%用來生產混凝土砌塊和預制混凝土;而德國在這兩方面的比例是約55和30。水泥幾乎完全依賴建筑來消化,因此其消費量會隨著經濟的繁榮和衰退上下波動。在美國,大蕭條時期,水泥的消耗量被縮減到了1933年的不足1100萬噸,到1942年又反彈至3100萬噸,而這一年正是戰時工廠建設的峰期。  

自1986年以來,全球水泥產量一直是中國獨占鰲頭:20世紀80年代,其水泥產量增長了20%;20世紀90年代增長了一倍多;21世紀前十年增長超過兩倍,接近18.8億噸;2010年,它已占到全球產量的55%左右。2010年,印度的水泥產量為2.4億噸,比美國的3倍還多,而巴西位居第四。  

水泥工業曾經是顆粒物排放的重要來源,但利用現代織物過濾器,99.6%的顆粒物被攔截后再次回到了煅燒窯中。這樣一來,二氧化碳排放就成為了該行業嚴重的環境影響因素。每立方米標準混凝土的二氧化碳排放量為480千克左右,即每噸混凝土排放200千克的二氧化碳。  

全球水泥行業二氧化碳排放數據顯示,在化石燃料的碳排放中,水泥的占比從1950年的1%不斷上漲,1975年升至2%,2010年達到近5%。2011年,中國生產水泥所排放的二氧化碳僅比日本總排放量低12%左右。幸運的是,提水泥行業能源效率、減少二氧化碳排放已得到了人們的重視。  

實惠的混凝土在現代文明中無處不在,但這并不意味著它不會產生長期成本。無論是從全球年產量還是建筑總質量上來說,混凝土已成為重要的人造材料。雖然這種材料為我們提供了居所并促進了交通、能源和工業的發展,但它的大量積累也帶來了相當的風險和巨大的負擔。  

水泥的脆弱性和過早退化會產生許多問題,如會導致外觀損壞及其強度的降低,有時甚至會發生災難;而防止這些問題需要進行昂貴的定期維護,而且它們在后的拆除成本也非常。  

中國在目前擁有多的混凝土新建筑,這種挑戰將會變得十分嚴峻。在過去一代人中,中國使用了數百億噸的混凝土來修建樓、道路、橋梁、大壩、港口及其他建筑物,再加上這些混凝土的質量差、自然生態環境遭到破壞、工業污染嚴重,必然會導致這些混凝土過早老化。這些不斷變腐的混凝土缺少及時的保養和維護,將來的更換成本會達到數萬億美元。中國在21世紀前十年共消耗水泥近100億噸,因而2030年后用來改造和更換這些建筑的投入將會達到數十萬億美元。  

后再介紹兩種獨特的混凝土全球視角:一種是區域比較,另一種是體積比較。埃爾維奇等將衛星圖像中的夜間亮燈與世界人口進行了對此,從而估算出世界上不透光的面積(樓、路面)大約為58萬平方:這個數值比地球無冰面小0.5%,相當于肯尼亞的國土面積。按人均計算,北半球的收入擁有大的不透光面積,而在低收入人均還不到100平方,甚至低于50平方。當然,并非所有的不透光區域都是混凝土,但這種材料所占份額大,并有充分理由相信它們是陸地建筑。  

若將世界貧民窟數億所住宅的土地面更換為混凝土地板,寄生蟲病害將會減少近80%;而鋪設街道還能提升土地價值和入學率,同時也有利于整個經濟活動的繁榮,提信貸能力。根據標準分類,巖石可被劃分為火成巖、沉積巖和變質巖;但隨著混凝土的不斷增加,JR.安德伍德在20世紀70年代初提出應該把混凝土、磚、瓦和玻璃另外歸為一類——人造巖;三十年后他在著作中公布了這種想法,而混凝土在隨后十多年內的大幅增加也印證了他的這一提議。  

與此同時,我們應該以正確的眼光看待如此海量的人造石。2010年,人類使用的這些材料接近400億噸,體積至少可達17立方。我們可以這樣比較:日本的富士山世界聞名,若將其看成一個半徑約13、約2800米的圓錐體,計算出的體積就是400立方;因此,我們大約每20年所使用的人造石就相當于一座富士山。人類的這種成績既令人震撼,又似乎不值一提:世界上大的火山——冒納羅亞火山大約是7.5萬立方,相比之下還要大兩個數量級。  

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