【探索】全球视角下的水泥混凝土材料应用现状(多数据)

 　备受关注的国内首部关于材料历史及未来的科普作品《材料简史及材料未来：材料减量化新趋势》（Making the Modern World:Materials and Dematerialization）一书，近期由电子工业出版社出版发行。该书作者瓦茨拉夫·斯米尔（VACLAVSMIL）为从事能源、环境等方面研究的顶尖学者，其《收割生物圈》、《美国制造》等作品影响深远。比尔·盖茨曾撰写读书笔记对该书进行专门推荐。

　　该书考察了整个人类历史进程中出现的各种重要材料提取、生产及主要应用的历史变迁，探讨了现代经济的成本依赖现象及其去材料化的内在潜质。其跨学科主题为具有资源经济学、环境学、能量分析、矿物地质学、产业组织学、制造业及材料科学等研究背景的读者提供了颇为实用的观点。以下是该书中关于建材行业的部分。

  最重要的事·建筑材料

  在回顾21世纪早期世界建筑材料的生产与使用前，我必须指出现在仍有数亿人口居住在使用当地黏土建成的住宅中——贝格认为这会占到世界总人口的30％以上；这些材料没有经过复杂的处理，也不需要任何现代能源的投入。虽然土坯房只需要使用几种简单的工具，但建造起来相当费力。

  大宗建筑材料（杂料）占到了每年矿物开采量的大部分，其分类依据的不是各自的化学成分，而是基本的物理特性——粒径。建筑杂料一般包括沙、砾石和碎石。沙和砾石的产量与建筑业的盛衰息息相关，遭遇不景气时会急速收缩：在美国，它们的产量从2007年的12.5亿吨猛然降至2010年的仅7.6亿吨，短短三年间下滑了40％。

  制砖是世界上最古老的行业之一，中国的大规模建设已将其产量提升到了新的高度：2010年，砖在中国的产量至少达到9000亿块，接近全球的60％。按照每块砖平均重2.8千克的保守估计，砖在2010年的全球总量将达45亿吨，而水泥只有33亿吨。从量上看，沙、天然砾石或碎石构成了混凝土的主要原材料，占比接近60％。使用不同的杂料能生产出各种特定的混凝土。

  水泥的最终用途因国家而异：在美国，大约75％的水泥被用来制作预拌混凝土，近15％用来生产混凝土砌块和预制混凝土；而德国在这两方面的比例是约55%和30％。

美国水泥消耗量

　　水泥几乎完全依赖建筑来消化，因此其消费量会随着经济的繁荣和衰退上下波动。在美国，大萧条时期，水泥的消耗量被缩减到了1933年的不足1100万吨，到1942年又反弹至3100万吨，而这一年正是战时工厂建设的高峰期。

  自1986年以来，全球水泥产量一直是中国独占鳌头：20世纪80年代，其水泥产量增长了20％；20世纪90年代增长了一倍多；21世纪前十年增长超过两倍，接近18.8亿吨；2010年，它已占到全球产量的55％左右。2010年，印度的水泥产量为2.4亿吨，比美国的3倍还多，而巴西位居第四。

中美对比水泥消耗量

  水泥工业曾经是颗粒物排放的重要来源，但利用现代的除尘设备，99.6％的颗粒物被拦截后再次回到了煅烧窑中。这样一来，二氧化碳排放就成为了该行业最严重的环境影响因素。每立方米标准混凝土的二氧化碳排放量为480千克左右，即每吨混凝土排放200千克的二氧化碳。

  全球水泥行业二氧化碳排放数据显示，在化石燃料的碳排放中，水泥的占比从1950年的1％不断上涨，1975年升至2％，2010年达到近5％。2011年，中国生产水泥所排放的二氧化碳仅比日本总排放量低12％左右。幸运的是，提高水泥行业能源效率、减少二氧化碳排放已得到了人们的重视。

  实惠的混凝土在现代文明中无处不在，但这并不意味着它不会产生长期成本。无论是从全球年产量还是建筑总质量上来说，混凝土已成为最重要的人造材料。虽然这种材料为我们提供了居所并促进了交通、能源和工业的发展，但它的大量积累也带来了相当的风险和巨大的负担。

  水泥的脆弱性和过早退化会产生许多问题，如会导致外观损坏及其强度的降低，有时甚至会发生灾难；而防止这些问题需要进行昂贵的定期维护，而且它们在最后的拆除成本也非常高。

  中国在目前拥有最多的混凝土新建筑，这种挑战将会变得十分严峻。在过去一代人中，中国使用了数百亿吨的混凝土来修建高楼、道路、桥梁、大坝、港口及其他建筑物，再加上这些混凝土的质量差、自然生态环境遭到破坏、工业污染严重，必然会导致这些混凝土过早老化。这些不断变腐的混凝土缺少及时的保养和维护，将来的更换成本会达到数万亿美元。中国在21世纪前十年共消耗水泥近100亿吨，因而2030年后用来改造和更换这些建筑的投入将会达到数十万亿美元。

  最后再介绍两种独特的混凝土全球视角：一种是区域比较，另一种是体积比较。

　　埃尔维奇等将卫星图像中的夜间亮灯与世界人口进行了对此，从而估算出世界上不透光的面积（高楼、路面）大约为58万平方公里：这个数值比地球无冰面小0.5％，相当于肯尼亚的国土面积。

2012年12月5日，美国航空宇航局(NASA)和美国海洋大气局(NOAA)公布了地球夜晚卫星照片。

按人均计算，北半球的高收入国家拥有最大的不透光面积，而在低收入国家人均还不到100平方米，甚至低于50平方米。当然，并非所有的不透光区域都是混凝土，但这种材料所占份额最大，并有充分理由相信它们是陆地建筑。

  若将世界贫民窟数亿所住宅的土地面更换为混凝土地板，寄生虫病害将会减少近80％；而铺设街道还能提升土地价值和入学率，同时也有利于整个经济活动的繁荣，提高信贷能力。

　　根据标准分类，岩石可被划分为火成岩、沉积岩和变质岩；但随着混凝土的不断增加，JR.安德伍德首次在20世纪70年代初提出应该把混凝土、砖、瓦和玻璃另外归为一类——人造岩；三十年后他在著作中公布了这种想法，而混凝土在随后十多年内的大幅增加也印证了他的这一提议。

  与此同时，我们应该以正确的眼光看待如此海量的人造石。2010年，人类使用的这些材料接近400亿吨，体积至少可达17立方公里。我们可以这样比较：日本的富士山世界闻名，若将其看成一个半径约13公里、高约2800米的圆锥体，计算出的体积就是400立方公里；因此，我们大约每20年所使用的人造石就相当于一座富士山。

　　人类的这种成绩既令人震撼，又似乎不值一提：世界上最大的火山——冒纳罗亚火山大约是7.5万立方公里，相比之下还要大两个数量级。

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