这是一个绝妙的想法：既然洛桑市中心的建筑已被夷为平地，为何不利用附近拆迁工地挖出的石材，来翻修市中心的哥特式圣母大教堂呢？毕竟，这座教堂最初就是用当地石材建造的，而这些石材如今已埋在城市之下。“重新开发使这一资源重新可用，至少暂时如此，”纪尧姆·哈贝特（Guillaume Habert）说道，他是 苏黎世联邦理工学院可持续建筑教授。一名博士候选人在哈贝特和该创意提出者的共同指导下，论证了当地资源的稀缺性。该创意提出者是日内瓦技术、建筑与景观学院（hepia）的建筑学教授。但遗憾的是，此事到此为止。正如哈贝特所解释的：“我们就是没有足够时间来落实这个项目。”等所有细节敲定时，石材已被挖掘机碾碎，碎块太小，派不上用场。不过哈贝特并未放弃：“至少这些努力起到了警钟作用；下一次，无论是在洛桑还是其他城市，我们或许就能成功。”
哈贝特是利用本地资源的坚定倡导者，尤其是在建材需求旺盛的城市环境中。常见问题之一是资源的可得性。大多数城市建在岩层之上，这些岩层完全能提供充足的建筑石材，但没有人愿意在自家后院开设采石场。因此，石材只能从远离需求中心的采石场采购。这意味着石材必须长途运输，成本高昂，且完全不顾及环境平衡。在哈贝特看来，建筑行业面临的主要问题并非资源短缺，而是资源的分配方式。
对城市发展而言，最受关注的本地资源之一是再生混凝土，因为旧建筑拆除时，构成它的原材料——砾石、砂和水泥——可以部分回收再利用。该过程的第一步是将回收的混凝土破碎。这种粗粒部分含有可提取并用于生产新混凝土的砾石和砂。剩余的粉尘主要由水泥组成，水泥在最初生产过程中与水接触后已经硬化。“水泥回收是一个更为复杂的过程，但它至关重要，”哈贝特强调。这是因为水泥生产过程会产生大量二氧化碳（CO2），部分来自将两种主要原料——石灰石和黏土——加热至1,500 °C，部分来自石灰石的脱碳。后一步骤每吨水泥释放的二氧化碳不少于半吨。当原料在水泥厂中回收利用时，必须重新加热至高温，使其恢复原有形态，但至少这一过程不会释放额外的二氧化碳，前提是加热所用的是气候中性能源。
水泥越少，二氧化碳排放越低
水泥是混凝土的理想胶凝材料。与水混合后，它能将砾石和砂粘结在一起。作为 “Energy Turnaround”国家研究计划（NFP 70） 的一部分，哈贝特负责领导 “低能耗混凝土”联合项目。苏黎世联邦理工学院的其他科学家以及来自EPFL和Empa的研究团队也参与了该联合项目。该项目旨在开发一种水泥含量低于传统混凝土、但性能相同的产品。混凝土生产商已在使用煤炭和钢铁等行业的废料替代部分水泥。这些废料性能理想，但其产生行业却无法再行利用或回收。如今，这些废料已在商用混凝土产品中替代了30%或更多的水泥。
研究人员希望在不降低最终产品机械强度（仍须承受30兆帕的压力）的前提下，将废料含量翻倍。“这将使建筑物的尺寸与现在保持一致，同时显著改善二氧化碳平衡，”哈贝特说。该团队目前的工作是对水泥含量较低的新型混凝土进行表征，并进一步优化。
研究人员反复面临的挑战之一，是如何处理低水泥混凝土与其他材料之间的相互作用，包括施工时浇筑于混凝土内的钢筋（rebar）。如果混凝土中纯水泥含量过低，钢筋会迅速生锈。“这类钢筋混凝土结构的耐久性会降低，但这显然不是我们追求的结果，”哈贝特强调。
因此，科学家们不仅在优化新型混凝土，还在开发替代钢筋的材料。他们正在合作寻找无锈替代品，如碳纤维增强聚合物或合成纤维。“我在这项研究中的职责是评估这些材料的环境影响，”哈贝特说。他分析各类技术的二氧化碳平衡，并找出优化该平衡的可能途径。
赫恩格贝格（Hönggerberg）校区的一项新颖解决方案是 House of Natural Ressources，该项目由安德烈亚·弗兰吉（Andrea Frangi）领导，于今夏落成。它既是一座办公楼，也是可持续建筑研究实验室。其混凝土楼板采用木材而非通常的钢材进行加固。“混凝土与木材是理想的组合，”哈贝特说，“因为完全不存在腐蚀风险。”
激进方案
哈贝特正在探索的另一条路径则更加激进：用黏土而非水泥制成混凝土。黏土是一种环保得多的建筑材料，因为它无需加热至高温，因此不会引发任何化学反应。但这也有其弊端：黏土基混凝土的机械强度仅为3兆帕，约为传统水泥基混凝土的十分之一。“因此，这类混凝土无法用于相同的用途，”哈贝特说。一种可行的解决方案是将无水泥混凝土的使用限制于非承重墙。仅此一项就可显著减少建筑中水泥的用量。
除了优化材料本身，哈贝特研究小组的另一项重点是改善其在施工现场的加工方式。新型混凝土浇入模板后，凝固过程中常出现裂缝。为解决这一问题，研究人员正在探索对黏土表面性质进行化学改性的方法。他们的目标是生产一种无水泥混凝土，使其可加工时间达三小时，与传统产品相当。目前的无水泥混凝土试验品仅30分钟便凝固，几乎没有足够时间进行运输和加工。允许水渗入的特殊多孔模板也可能有所帮助。
尽管如此，哈贝特十分清楚，新型建筑材料只有在不颠覆传统建筑行业惯例的前提下，才会被市场接受。“很少有人愿意为环保建筑多付钱，”哈贝特说。
新一代
为向学生传授知识，哈贝特于今年6月与格勒诺布尔国家建筑学院（Ensag）及 苏黎世联邦理工学院环境系统科学系跨学科实验室（TdLab）合作，组织了一期以“扎根材料”（Grounded Materials）为主题的夏季学校。苏黎世联邦理工学院的学生探讨了如何推动苏黎世及周边的建筑行业更多采用环保的本地材料。来自建筑、材料、环境系统科学以及土木、环境与测绘工程系的学生用两周时间找出了更广泛使用本地建材的障碍。基于这些发现，他们制定了使此类材料对利益相关方更具吸引力的策略。这些策略较少关注混凝土的机械强度或二氧化碳排放等技术特性，而更多着眼于社会学、经济学和传播学等领域。
哈贝特很高兴自己能够提升年轻一代对这些问题的认识。“作为一名地质学家，我的本能是将资源视为有形之物，在特定地点以固定数量存在，”他解释道。“但只要自然环境与人类社会之间存在交界面，事情就开始变得更有趣了。”该资源可以如何利用？它位于何处，又需要在何处？谁懂得如何使用它？成本多少？今年夏季学校结束后，哈贝特的学生们也明白了这些都是重要的问题。
本文与 苏黎世联邦理工学院合作发布。刊发本文不代表世界经济论坛认同其中观点。
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作者：科琳·霍德尔（Corinne Hodel）是苏黎世大学动物研究所的生物学家。
图片：建筑起重机与推土机在卡塔尔基金会附近作业。路透社/Mohammed Dabbous。
