为何科技行业的气候承诺需重新发明混凝土。

在通往矗立于亚特兰大东部的ATL4大型数据中心的乡村道路上，数十辆汽车和皮卡拥挤地停放在狭窄的土路路肩上。它们的牌照属于其他州，这也是此类大规模施工项目工人聚集的典型特征。为了在全球人工智能主导权的竞争中占据一席之地，科技巨头、公用事业公司和政府纷纷进行资本扩张，投入超过1万亿美元，数据中心成为了掩体、工厂和秘密研究基地，混凝土和电力则是燃料和弹药。

对于普通人而言，数据产业看似无形，而其产品则是从无形的比特字符中创造而来的。但站在DataBank繁忙的ATL4数据中心施工现场，让我印象最深刻的是堆积如山的材料——主要是混凝土，这些材料造就的庞然大物将为人工智能硬件提供存储、保护、供电和冷却设施。大数据就是大量混凝土，而这也带来了一个大问题。

混凝土不仅仅是数据中心和为数据中心提供能源的发电厂的主要建筑材料。作为世界上产量最大的材料，混凝土（尤其是其中的水泥）也是导致气候变化的主要因素，约占全球温室气体排放量的6%。数据中心使用了大量混凝土，导致建设热潮正在破坏科技巨头减少碳排放的承诺。尽管谷歌、Meta和微软均宣称到2030年实现碳中和或负排放，亚马逊称其到2040年实现碳中和，但该行业目前正朝着错误的方向发展。

2023年，微软的碳排放量猛增了30%以上，主要是由于其新数据中心的材料。过去5年，谷歌的温室气体排放量增长了近50%。据摩根士丹利预测，随着全球数据中心数量激增，到2030年，数据中心每年将排放约25亿吨二氧化碳，约占美国目前排放总量的40%。

不过，在人工智能创新和大数据建设热潮让科技行业超大数据中心的排放量增加之际，混凝土的重新改造也能在解决该问题中发挥重大作用。过去10年间出现了一波创新浪潮，其中一些受利润驱动，还有一些则来自学术实验室，目的都是解决混凝土带来的碳排放问题。人们正在建设试点工厂以捕获来自水泥厂的二氧化碳，并将其安全地储存起来。其他项目正在制定更环保的水泥配方。而且，人工智能和其他计算工具正在寻找方法，以便减少混凝土中的水泥量，并在数据中心、发电厂和其他建筑中减少使用混凝土，从而大幅降低碳排放。

全球对绿色混凝土的需求显然在增长。例如，亚马逊、谷歌、Meta和微软最近加入了由开放计算项目基金会牵头的一项倡议，旨在加快数据中心低碳混凝土的相关测试和部署。供应也在增加，尽管与人类对可塑岩石的巨大需求相比仍然微不足道。但是，如果大型科技公司的绿色目标能够推动低碳混凝土的创新，并为其创造强劲的市场，那么大数据的繁荣最终可能会成为地球的福音。

在ALT4数据中心的建筑工地，我见到了该公司友善且直言不讳的建筑主管托尼•库里（Tony Qorri）。他表示，这座大型建筑以及DataBank公司近期在亚特兰大地区已建成和计划建设的其他4座建筑将总共增加13.3万平方米的建筑面积。

这些建筑均遵循了库里开发的通用模板，以优化公司不断扩大的数据中心建设。卡车会将一千多块预制混凝土构件运至建设工地，这些构件包括墙板、柱体和其他结构件。工人们会迅速组装这些精确测量的部件。有时，数百名电工蜂拥而至，进入建筑布线。速度至关重要，因为工期延误可能意味着在人工智能之战中失去优势。

这场竞争的规模可以通过新的数据中心和占地面积来衡量。如今，美国拥有超过5000个数据中心，据美国商务部预测，到2030年，这一数字将以每年约450个的速度增加。全球范围内的数据中心现已超过1万个，分析师预计，未来5年内数据中心的占地面积还将增加2650万平方米。2023年，开发商在亚特兰大市区启动了一些项目，这些项目将使该地区的数据中心容量增加两倍。例如，微软计划建造18.6万平方米的综合设施，足以容纳约十万台机架式服务器，将消耗324兆瓦电力。

数据中心建设热潮的速度意味着没人会停下来坐等更环保的水泥出现。目前，该行业的口头禅是“抓紧建设”。

ATL4的结构工程师亚伦•格拉布斯（Aaron Grubbs）说：“在这些项目中，没有好的混凝土替代品。”最新的处理器比前几代更大、更重、更热，能耗也高得多。格拉布斯表示，因此 “你得多加很多柱子”。

在电力和电子渗透现代生活的故事中，混凝土可能并非显眼的明星材料。更受瞩目的是铜、硅、铝和锂等其他材料。但混凝土为全球的电力运行提供了实实在在、不可或缺的基础。它是一种坚固、稳定、耐用、耐火的材料，使发电和配电成为了可能。它几乎支撑了所有的先进制造业和电信业。在百年前电力行业的迅速扩张中如此，在如今的数据行业亦是如此：技术进步带来了更多的增长，也消耗着更多的混凝土。尽管每一代处理器和内存在每块芯片上都塞入了更多的算力，超导微电路的进步也带来了数据中心占地面积大幅缩小的诱人前景，但库里认为，建筑不会很快缩减至鞋盒大小。他说：“我以前经历过这种变化，对空间的需求可能会随之增加。”

按重量计算，混凝土并非碳密集型材料。例如，生产1公斤钢所释放的二氧化碳量约为生产1公斤水泥的2.4倍。但全球建筑行业每年消耗约350亿吨混凝土。这相当于地球上每人约生产4吨，是所有其他建筑材料总和的2倍。如此大的规模和相关成本以及庞大的生产商数量，既对气候构成了威胁，又带来了抵制变革的惯性。

不过，变革正在发生。在参观位于法国里昂的瑞士材料巨头Holcim运营的创新中心时，研究主管向我介绍了他们汇编的致力于水泥和混凝土脱碳的近千家公司数据库。目前还没有一家公司的影响力足以显著减少全球混凝土的排放。但创新者们希望，数据中心的蓬勃发展以及新型核反应堆和海上风力发电场（一个涡轮机底座就要使用多达7500 立方米混凝土）等相关基础设施最终能让绿色水泥和混凝土走出实验室、初创企业和试点工厂。

尽管“水泥”和“混凝土”这两个术语经常被混淆，但它们并不是一回事。业内的一个常见类比是，水泥是混凝土蛋糕中的鸡蛋。以下是基本配方：将水泥与大量砂和其他混凝料混合，然后加入水，引发水泥的化学反应。等待一段时间后，水泥会形成一个将所有成分拉结在一起的基质。之后将其静置，直至固化成坚如磐石的岩块。

波特兰水泥是全球混凝土中用得最多的关键粘结材料，由英国的威廉•阿斯普丁（William Aspdin）偶然发明。当时，威廉正在尝试改进父亲约瑟夫（Joseph）1824年获得的早期砂浆专利。虽然一个多世纪的科学研究揭示了水泥在混凝土中起作用的基本化学原理，但新的发现仍在推动着重要创新，帮助人们深入了解混凝土在硬化过程中如何吸收大气中的碳。

和阿斯普丁时代一样，波特兰水泥的生产过程仍然始于石灰岩，这是一种由碳酸钙晶体构成的沉积矿物。用于水泥的大部分石灰岩都形成于数百万年前，海洋生物在海水中将钙和碳酸盐矿物化，形成贝壳、骨骼、珊瑚和其他坚硬物质。

水泥生产商通常会将大型工厂建在石灰岩采石场附近，这些采石场能够供应数十年的石灰岩。经破碎后，再将石灰岩与少量其他矿物质（通常包括钙、硅、铝和铁）混合并在此过程中分步加热。经过混合和加热，形成名为熟料的坚硬小颗粒。再经过加工、研磨和混合，这些颗粒就会变成粉状的波特兰水泥，这种水泥造成的二氧化碳排放量约占传统混凝土生产过程中二氧化碳排放量的90%（见下图）。

波特兰水泥生产中的两个基本过程往往会导致脱碳成为重工业的“难题”。第一个过程是燃烧：为了让石灰岩发生化学变化形成熟料，大型加热器和窑炉必须保持约1500℃的温度。以目前的技术而言，这意味着要燃烧煤炭、焦炭、燃油或者天然气，通常还会与废弃塑料和轮胎一起燃烧。燃烧过程产生的废气占水泥行业排放量的35%至50%。其余的大部分排放物是由于碳酸钙发生化学反应转化成氧化钙（这一过程称为煅烧），因而释放出气态二氧化碳。这种气体通常也会直接排入大气。

相比之下，混凝土的生产主要是将水泥粉末与其他原料混合，然后在水泥凝固前迅速运送到施工现场。在美国，大多数混凝土都是根据订单在搅拌站生产的，这些搅拌站是增强版的材料仓库，原料在此混合，从料仓定量装入专用搅拌卡车内，然后运往施工现场。由于混凝土会在大约90分钟后变得太硬而无法施工，因此混凝土生产往往高度本地化。美国的现成混凝土搅拌站比汉堡王餐厅还要多。

混凝土搅拌站可以提供数千种潜在的定制混合物以满足不同工作的需求。一栋百层大楼所用的混凝土与游泳池所用的混凝土是不同的。由于能够灵活改变砂的质量和石料的大小，同时添加各种化学物质，搅拌站在降低碳排放方面比任何水泥厂都更有办法。

中国生产和使用的混凝土占全球总量的一半以上，但企业情况很难追踪。在中国以外，排名前三的跨国水泥生产商瑞士豪瑞公司（Holcim）、德国海德堡材料公司（Heidelberg Materials）和墨西哥西迈克斯公司（Cemex）已经启动了试点项目，目标是在二氧化碳排放前将其捕获，然后埋入地下深处。为此，这些公司正在调整石油和天然气行业所使用的碳捕获与封存（CCS）技术，并将其应用于水泥厂。

这些CCS试点项目需要扩大规模，同时不能削减利润，这是煤炭行业几十年前尝试CCS技术时未能做到的。然而，棘手的问题仍然存在：要年复一年地将数十亿吨的二氧化碳安全地储存在哪里？

对于水泥生产商而言，CCS技术的吸引力在于其可以在继续使用现有工厂的同时朝着碳中和迈进，而行业协会已承诺到2050年实现碳中和。但全球的水泥厂超过3000家，在所有工厂采用CCS技术将需要巨额投资。目前，全球低排放水泥的供应量不到1%。埃森哲咨询公司预计，为整个行业配备碳捕获设备的成本可能高达9000亿美元。

研究石油和电力行业碳捕获技术的加拿大埃德蒙顿阿尔伯塔大学岩土工程学教授里克•查拉图尼克（Rick Chalaturnyk）表示：“碳捕获的经济成本是个大问题。”不过，他看到了针对CCS技术早期采用者的激励措施。“例如，如果海德堡在碳减排竞赛中胜出，它将是首家为有低碳产品需求的客户（如超大规模客户）供货的（水泥）公司。”

虽然水泥公司似乎不太可能将数十亿美元投资于CCS技术，但丰厚的政府补贴仍然吸引了几家公司开始试点项目。海德堡已宣布计划于2026年底开始在其埃德蒙顿工厂捕获二氧化碳，并将其转化为公司声称的“世界上首家全面净零水泥厂”。废气将进入净化二氧化碳的站点并被压缩成液体，然后被运往化工厂转化为产品，或注入地下枯竭的油气储层并有望在地下停留一两个世纪。

查拉图尼克表示，埃德蒙顿工厂的目标是每年捕获100万吨二氧化碳，此规模足以对CCS技术进行合理测试。但证明其经济性则是另一回事。埃德蒙顿项目10亿美元成本中有一半由加拿大和艾伯塔省政府承担。

美国能源部也为海德堡提供了高达5亿美元的资金，帮助支付在其印第安纳州米切尔工厂采用CCS技术以及每年在工厂下方掩埋多达200万吨二氧化碳的成本。欧盟则更进一步，从其创新基金中拨款近15亿欧元（约合16亿美元），用于支持7个成员国水泥厂的碳捕获项目。

虽然这些测试令人鼓舞，但它们都发生在富裕国家和地区，这些国家和地区对混凝土的需求在数十年前便达到了峰值。即使在中国，混凝土产量也开始趋于平稳。预计到2040年，全球需求的增长将全部来自不太富裕的国家和地区，这些国家和地区的人口仍在增长，城市化进程也在迅速推进。根据荣鼎集团（Rhodium）预测，这些地区的水泥产量可能会从目前占全球供应量的约30%上升至2050年的50%，到本世纪末，将上升至80%。

那么，富裕国家和地区的CCS技术能否推广到世界其他地区？最近，在哥伦比亚领先的水泥生产商Cementos Argos位于麦德林的办公室与该公司的首席执行官胡安•埃斯特万•卡列•雷斯特雷波（Juan Esteban Calle Restrepo）交谈时，我向他请教了这个问题。胡安坦率地说：“碳捕获技术可能适用于美国或欧洲，但像我们这样的国家负担不起。”

只要水泥厂还在用燃烧化石燃料的窑炉来处理石灰石，就会产生过量的二氧化碳。但或许有办法摆脱石灰石和窑炉。实验室和初创企业一直在寻找石灰石的替代品，比如煅烧高岭土和粉煤灰，这两者被加热时都不会释放二氧化碳。全球的高岭土储量丰富，几个世纪以来中国一直用于制造瓷器，最近还用于化妆品和造纸业。粉煤灰是燃煤电厂产生的脏污、有毒的副产品，其价格低廉且广泛可得，即便许多地区的煤炭发电量已经减少了。

在瑞士洛桑的联邦理工学院（EPFL），凯伦•斯克里维纳（Karen Scrivener）和同事混合了煅烧的高岭土和磨碎的石灰石以及少量熟料，研发出了新型水泥。煅烧粘土可以在较低的温度下进行，可再生能源产生的电力便足以完成这项工作。各种研究发现，与波特兰水泥相比，这种名为LC3的混合物可减少30%至40%的总体排放量。

LC3的生产成本也比波特兰水泥低，并且几乎在所有常见用途中的表现都很好。因此，非洲、欧洲和拉丁美洲出现了很多煅烧粘土厂。在哥伦比亚，Cementos Argos每年生产的这种材料已超过200万吨。世界经济论坛能源与材料中心将LC3列为混凝土脱碳的最大希望之一。该中心估计，水泥行业广泛采用这种材料“有助于到2030年减少多达5亿吨二氧化碳排放”。

对环境而言，这是双赢的局面：粉煤灰可被用作低排放甚至零排放混凝土的组成部分，加工过程中的高温还可中和其含有的诸多毒素。古罗马人曾使用火山灰来制造凝固缓慢但耐用的混凝土：近两千年前用灰基水泥建造的万神殿至今仍保存完好。

粉煤灰是一种经济实惠的成分，其活性与罗马水泥和波特兰水泥相似。许多混凝土厂都在其混凝土混合物中添加了新鲜粉煤灰，用于替代15%至35%的水泥。粉煤灰能改善混凝土的可施工性，尽管在最初的几个月里，由此制成的混凝土强度不如普通混凝土，但随着时间的推移，它会比普通混凝土更坚固，就像万神殿一样。

大学实验室测试了完全用粉煤灰制成的混凝土，发现部分混凝土的性能实际上优于标准混凝土。15年前，蒙大拿州立大学的研究人员就在一家信用社和一家交通研究中心的地板和墙壁中使用了100%由粉煤灰制成的混凝土。其性能在很大程度上取决于粉煤灰的化学成分，不同燃煤电厂的粉煤灰化学成分各不相同，其采用的配比也各有差异。燃煤电厂的退役也使得新的粉煤灰更为稀缺和昂贵。

这催生了新的方法来处理和使用被填埋在垃圾场或倾倒在池塘中的粉煤灰。即使所有燃煤电厂都关闭之后，这类工业掩埋地储存的粉煤灰也足够制造混凝土数十年。总部位于犹他州的Eco Material Technologies公司目前正在生产含有新鲜粉煤灰和回收粉煤灰的混凝土。该公司声称它可替代混凝土中高达60%的波特兰水泥，还有一款适用于3D打印的新型品种可以完全替代波特兰水泥。

总部位于休斯顿的初创公司Hive 3D Builders一直致力于将低排放混凝土注入在得克萨斯州的几个开发项目中打印房屋的机器人。Hive 3D公司的首席执行官蒂莫西•兰考（Timothy Lankau）表示：“我们的混凝土100%不含波特兰水泥。我们希望建造的房屋能持续使用1000年。”

Sublime Systems 是一家由麻省理工学院电池科学家创办的初创企业，它利用电化学而非热化学方法从不含碳的岩石中制造低碳水泥。与电池类似，Sublime的工艺利用了电极和阴极之间的电压来创建酸碱值梯度，从而分离出硅酸盐和活性钙（石灰的形式）。该公司混合这些原料制成的水泥不含挥发性碳，无需窑炉或熔炉，且粘结力与波特兰水泥相当。在美国能源部8700万美元的资助下，Sublime公司正在马萨诸塞州霍利约克建造工厂，该工厂几乎完全由水电提供动力。最近，公司被选中为玛莎葡萄园海岸附近的一个计划建设的大型海上风力发电场提供混凝土。

仅靠一项创新并不能让水泥行业在2050年之前实现碳中和目标。新技术需要时间来成熟、扩大规模并形成成本竞争力。与此同时，苏黎世联邦理工学院（ETH）的结构工程师菲利普•布洛克（Philippe Block）表示，智能工程可以更合理地使用材料从而减少碳排放。

布洛克的研究团队开发了数字设计工具，可巧妙地利用几何形状使混凝土结构的强度最大化，同时使其重量最轻。该团队的设计灵感来源于古代寺庙、大教堂和清真寺中高耸的建筑元素，特别是拱顶和拱门，研究人员将其微型化、扁平化，然后通过3D打印或模具技术将其应用到混凝土地板和天花板内部。这种轻型板材很适合公寓楼和办公楼的高层，所用的混凝土和钢筋少得多，二氧化碳排放量减少了80%。

这种简约设计中蕴含着隐藏的魔力。多层建筑需要大量混凝土来支撑上方的材料重量。因此，布洛克采用较轻的楼板所节省的碳排放量会成倍增加，因为建筑物的传统混凝土构件的尺寸大幅缩小，成本和排放量也大大减少。

在瑞士的杜本多夫，有一座造型奇特的实验性建筑，其楼层、屋顶和天花板均由布洛克的结构系统打造而成。Vaulted是一家从苏黎世联邦理工学院剥离出来的初创公司，该公司正在为瑞士楚格在建的一座10层办公楼设计和制造更轻的地板。

瑞士并没有简单地填埋拆除废料，其在混凝土回收再利用的智能化方面也一直处于引领地位。这一点说起来容易做起来难，混凝土质地坚固，还夹杂着钢筋。但其中存在经济上的激励因素，例如，砂和石灰石等原材料日益稀缺且价格攀升。如今，欧洲部分地区要求新建筑必须采用回收再利用材料。苏黎世美术馆的新扩建部分就是精致现代主义建筑的展示窗口，除2%的混凝土外，其余全部使用了回收材料。

新政策刺激了对回收材料的需求，并有可能限制波特兰水泥未来在欧洲的使用，豪瑞公司已着手建造能够从旧混凝土中回收水泥熟料的回收工厂。最近，该公司将巴黎郊外建于20世纪60年代的部分住宅楼的拆除废料用于建造包括220个单元的住宅区，该住宅综合体被誉为首座100%由回收混凝土建造的建筑。该公司计划在欧洲的各主要都市区建立混凝土回收中心，并在2030年前使回收材料在公司所有水泥产品中的占比达到30%。

低碳混凝土领域的进一步创新势在必行，尤其是将机器学习应用于解决该问题时。过去10年间，有关使用计算工具探索各种混凝土配比可能的研究论文的数量呈指数级增长。正如将人工智能用于加速药物研发一样，这些工具可从大量已验证的水泥配比数据库中学习，然后将推断应用于评估未经测试的配比。

最近，伊利诺伊大学和总部位于芝加哥的Ozinga公司（美国最大的民营混凝土生产商之一）的研究人员与Meta合作，将1030种已知的混凝土配比输入人工智能系统。该项目产生的新型配比将用于伊利诺伊州迪卡尔布的一个数据中心综合体的部分区域。借助人工智能生产的混凝土的碳足迹比该综合体其余区域所用的传统混凝土的碳足迹低40%。提到这一良性循环时，Ozinga公司创新副总裁瑞安·西亚德拉（Ryan Cialdella）微笑着表示，如今，数据中心的人工智能系统可帮助降低数据中心所用混凝土的排放量。

用波特兰水泥制成的混凝土价格低廉、坚固耐用且充足，然而却不可持续，这一直是现代技术的“浮士德式交易”之一。到2060年，建筑领域的建筑面积有望翻倍，增加23万平方公里，超过加利福尼亚州面积的一半。其中大部分将用于容纳可能新增的20亿人口。随着全球交通、电信、能源和计算网络的发展，新的建设工程都将依赖混凝土。如果混凝土不改变，我们将反常地被迫生产更多混凝土来保护自己免受即将到来的气候混乱的影响，包括海平面上升、火灾和极端天气。

人工智能推动的数据中心的繁荣本身也非同寻常。未来，人工智能或许能助力我们生活得更好，也可能会破坏我们的自由、文明、就业机会和环境。然而，解决人工智能数据中心强加给地球的不良气候影响的方案已然在手，只要我们有实施的意愿。作为少数有影响力的组织，超大规模企业和政府能够迅速改变全球使用的水泥和混凝土的种类及生产方式。转向可持续发展后，混凝土独特的规模将使其成为可在保护世界自然系统中发挥最大作用的少数材料之一。我们离不开混凝土，通过雄心勃勃的创新，我们可以与之共同繁荣。

作者：Ted C. Fishman