2017年6月12日 星期一

【國語日報專區】石話石說:便利的水泥,無盡的憂愁

本文是在2016年5月發表在國語日報科學版,對照最近的新聞時事,特別有感。

「開發水泥破壞生態這麼邪惡,為什麼要寫這個題材?」
 別忘了,我們生活中一堆地方都是水泥做的,它帶來了便利,但它又是個會破壞環境的東西,無論是開採或製作都會對環境造成負擔,我們從最初的科學談起,談談水泥和石頭的關係,先了解,再思考!

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萬丈高樓平地起蓋房子的石頭

都會區總是鋼筋水泥大樓林立,這些新穎的樓房和過去古老的建築方式差異很大,但實際上我們用的建築材料,在大自然裡的樣貌一直都是一樣的,到底差別在哪?我們來一探究竟!

用石頭來蓋房子
位於雅典的海神波賽頓神廟,可發現石灰岩柱嚴重風化
臺灣的原住民曾運用天然的板岩、頁岩來建造房屋。在沒有磚瓦的技術時,石頭就是最佳的建築材料,板岩、頁岩破裂時,常會形成板狀的碎片,選擇適合的大小就能堆砌成房屋或作為屋瓦使用。而屏東霧台的魯凱族石板屋,也在去年由世界建築文物保護基金會,登錄為世界建築文物守護計畫的文化資產,以永久保存。

經典的希臘建築
岩柱中心的鑽孔是用來作為固定用的
放眼世界,許多重要的古代建築都是用石頭堆疊而成的。其中最顯眼的建築,莫過於古希臘的各種石灰岩神廟古城。雖然石灰岩會隨時間風化、破碎,但殘存歷史遺跡仍可看到古人的智慧。在現今的雅典衛城,聯合國教科文組織也正努力修復希臘古建築,保存歷史、也保留文化。在遺跡旁就可發現,岩柱中也內藏玄機:岩柱由數塊石頭堆疊而成,為了讓柱子更加穩固,中心挖有孔洞,通常會用金屬作為卡榫放在孔洞中固定,這樣一來,就能使岩柱更穩固。而這些引人注目的岩柱,其實也和我們現今的水泥關係密不可分!



從石灰岩變成水泥
古代的希臘、羅馬人,除了用石灰岩蓋宏偉的神廟,也利用類似水泥的材料蓋房子。利用特定比例的石灰和火山灰混合,加水之後再塑形,會隨著乾燥而慢慢變硬,原理和現代的水泥很像。不過這邊指的「石灰」並不是直接把石灰岩磨碎使用,石灰岩主要成分是碳酸鈣,必須要經過高溫加熱後才會變成所謂的石灰,成分為氧化鈣,而此種石灰又稱作生石灰,也是日後水泥的主要成分。
十九世紀初,英國人阿普斯丁發現,將黏土和石灰依固定比例混合燒製處理後可做成水泥粉,水泥粉再加水凝固硬化後的混凝土,硬度、顏色都和英國波特蘭島上的石材相近,便取名為波特蘭水泥,並且申請了專利,日後大部分用這種方式製成的水泥都通稱波特蘭水泥。當水泥粉加水後,裡面的化學變化會先讓水泥變得黏稠,接著在硬化的過程中又會發生另一些化學反應,水泥粉中的各種礦物分子會變成很錯綜複雜的結晶,就像是有很多大小不一的網子全部纏在一起一般,讓水泥變得強靭又堅固。
水泥的用途十分廣泛,經過改良或是添加不同物質也有不同的效果。快乾水泥可以用來快速修築道路或隧道,而膨脹水泥就適於修補裂縫,還有耐酸、鹼和耐海水腐蝕的水泥。
水泥製作過程示意圖

水泥帶來的憂愁
不過,即使水泥對人類生活與工業的貢獻甚大,卻也帶來許多環境衝擊,前面提到從石灰岩變成生石灰的過程,本身就會釋放大量的二氧化碳。而進一步燒製水泥粉的過程,還會耗費大量能源、釋放汙染物質。而不當開採石灰岩或是大理石等水泥原料,也會破壞環境,過去在高雄半屏山曾大量開採石灰岩,雖然現今早已不再採礦,山勢也不復存在。而現今花蓮山區還有不少水泥原料的採石場,目前也隨著環保意識抬頭調整開採方式,許多水泥工廠也改採進口原料。或許我們在享受水泥工業的便利時,也該思考水泥的優缺點,畢竟我們的生活早已脫離不了水泥建設,但水泥建設的好與壞該如何平衡,則是我們現在正面臨的問題,或許,人類也該找尋更環保的方式,逐步調整水泥的運用方式,以求永續發展。
 

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