混凝土的碳排放问题

根茎类蔬菜、石墨烯和二氧化碳有什么共同点?你可能会想，除了碳，什么都没有。但它们都有可能减少水泥和混凝土的二氧化碳排放。

每年要生产40亿吨水泥。这是40亿吨的胶水，使混凝土成为如此廉价、多功能和耐用的材料，满足了全球房屋、道路、大坝和桥梁的需求。不幸的是，这些巨大的数量意味着水泥占全球二氧化碳排放量的8%，而且随着发展中国家为其不断增长的人口建造房屋和城市，水泥的需求不会减少。事实上，实现联合国可持续发展目标意味着新的建筑和基础设施——正如世界需要快速脱碳一样。

在过去的200年里，现代水泥配方的基本原理基本没有变化。石灰石(碳酸钙)与粘土在1400-1500°C的温度下加热;石灰石和粘土分解成氧化物，然后结合成二钙和三钙硅酸盐;粘土中的铁和铝也会与钙反应，产生少量的铝酸三钙和铝铁氧体四钙。

水泥占全球二氧化碳排放量的8%

一旦冷却，这种被称为熟料的混合物被磨碎，然后加入石膏(二水硫酸钙)来改善水泥的未来凝结。当加水时，硅酸盐结合形成水合硅酸钙。这是将水泥颗粒粘结在一起的凝胶。

不仅需要大量的能源(来自化石燃料)来将窑加热到如此高的温度，而且碳酸钙的分解本身会释放二氧化碳——占水泥制造相关排放的一半以上。开采和运输原材料、冷却和研磨熟料以及混合水泥等所有其他步骤也会产生排放，约占总量的10%。生产每公斤最常见的水泥——被称为波特兰水泥——与二氧化碳排放量0.93公斤．全球98%的混凝土都是用这种材料生产的。

小步骤

“重要的是要明白，这里没有奇迹——没有巨大的潜在突破，”警告说凯伦公证人他是洛桑瑞士联邦理工学院建筑材料实验室的负责人，是一名材料化学家。我们必须用地球上丰富的材料来制造水泥和混凝土。

一些最丰富的元素太容易溶解，一些又不够溶解，所以剩下的就是二氧化硅、钙和氧化铝(在铝土矿中发现的)等“金发姑娘”材料。斯克里文纳说，即使我们一夜之间停止使用氧化铝来生产铝，也没有足够的氧化铝来满足需求。

因此，正在制定的策略是减少使用化石燃料来加热窑炉;少用熟料做水泥;混凝土中的水泥更少;更少的混凝土来建设基础设施，包括更多的回收。斯克里文纳和她的合著者最近的报告在欧洲水泥和混凝土行业的可持续性方面，估计通过使用现有技术，从水泥制造商到建筑公司的所有参与者都可以共同努力，实现80%以上的零排放。政策制定者需要对拆迁和填埋征税。增加碳捕获和碳储存可以让非洲大陆越过这条线。

海德堡水泥公司是世界上最大的水泥生产商之一，该公司表示，自1990年以来，该公司每生产一公斤水泥，二氧化碳的净排放量减少了18%以上，约为0.6公斤。目前的目标是到2030年将温室气体排放量比1990年减少30%。

但该组织在使用替代燃料避免二氧化碳排放方面已经取得了长足进展。全球研发总监沃尔夫冈•迪内曼(Wolfgang Dienemann)解释说:“可能还有一些地方需要优化，但没有什么灵丹妙药。”“我们必须在各个层面上努力减少排放，然后捕获剩余的二氧化碳。”该组织正在进行几个有前景的捕获项目。

该公司还降低了水泥中的熟料含量，目前熟料含量略高于75%。“但这里的关键是有什么材料，在哪里可以得到:运输和物流成本是我们行业的一个主要因素。显然，你只能大规模使用当地可用的材料，”迪内曼说。

用粉煤灰或钢渣(燃煤电厂和炼钢厂的副产品)代替，可能会将熟料含量降低到50%。但随着燃煤电厂的关闭，欧洲的飞灰最终将消失，尽管中国和印度目前还没有这种前景。

瑞典EMC公司开发了一种水泥，使用了50%的粉煤灰和50%的波特兰水泥，该公司表示，粉煤灰可以被火山灰(天然或合成硅酸盐材料)所取代，并声称可以减少90%的排放。碳酸镁也已被开发，但它们的使用是能源密集型的，需要大量的开采和运输工作。

海德堡水泥公司的Ternocem每吨二氧化碳排放量减少30%

在瑞士政府的支持下，斯克里文纳和一个国际团队研制出了一种可以在发展中国家使用的水泥，这种水泥有现有的生产设施，而且不需要对工人进行特殊培训。它被称为LC3，使用石灰石和煅烧粘土的混合物，有可能减少30%的排放。世界上几乎有无限数量的低等级粘土:她指出，中国仅一个采石场就有30亿吨含50%高岭土的废渣堆。在LC3水泥中，一半的熟料被煅烧粘土(30%)、石灰石(15%)和石膏(5%)所取代。由于粘土必须在700-850°C的温度下煅烧，因此减少的排放量比预期的要少。粘土中的氧化铝与石灰石发生反应，所以它的多孔性更小，并且比硅酸盐水泥具有更好的抗氯化物性能，尽管强度保持不变。

全球30个国家正在进行可行性研究。古巴和印度的试点已经生产了近200吨，并展示了与实验室生产的水泥一致的性能。商业敏感性意味着斯克里文纳对商业化守口如瓶，尽管全面生产预计将在几个月内在南美开始，明年在科特迪瓦开始。她相信LC3有潜力每年减少4亿吨碳排放，占全球排放量的1%。

熟料的减少是一方面，但熟料本身的成分呢?海德堡水泥公司开发了Ternocem——一种使用氧化铝(来自铝土矿)的贝利特硫铝酸钙特尼石水泥。减少石灰石消耗。每吨二氧化碳排放量减少30%。据Dienemann说，这种水泥已经进行了广泛的试验，接近市场成熟。但即便如此，这也不是一个完美的解决方案:铝土矿价格昂贵，是世界上铝的主要来源。Dienemann预计它将应用于需要非常高强度混凝土的地方，这些地方以前使用的水泥具有高熟料成分。

闭合循环

很多混凝土确实被回收了——通常在同一地点——作为建筑和道路的新底基。利用回收的建筑垃圾修建道路几乎可以节省开支80%的能量否则就会用到。但立法是关键:在荷兰，有一项拆除混凝土的填埋禁令，所以95%的混凝土是可回收的。在葡萄牙，垃圾回收很少。

Dienemann说，关闭循环是一个挑战——通过仔细的分类和处理，可以提取原始的沙子和砾石，但水泥膏体是另一回事。尽管实验室正在努力，但还没有商业上可行的方法来回收它。但它可以再碳酸化。随着时间的推移，这在混凝土表面自然发生。“如果你能加快这一过程，并将其转化为石灰石，这将改变游戏规则。”迪内曼补充说，通常情况下，我们会尽量避免碳化，以防止钢筋被腐蚀，但我们需要跳出常规思维。我们没有尽可能地保持混凝土的密度，而是朝着另一个方向——增加表面积。”

在预制结构中添加少量二氧化碳，比如铺路石——不需要钢筋——实际上会增加混凝土的强度。最终，该公司希望利用其制造过程中捕获的二氧化碳排放来重新碳酸盐混凝土。迪内曼说:“我们已经做了很多研究，现在已经可以大规模生产了，但问题是它在经济上是否可行。”

其他公司也在尝试封存碳。新泽西州的一家公司“固化”表示，其水泥的排放量比传统波特兰水泥少70%。它得到了全球最大制造商拉法基豪瑞(LafargeHolcim)的支持，并证明其水泥可以在该集团的工厂生产，而不需要任何工厂改造。

要负

在加拿大，Mehrdad Mahoutian也看到了使用二氧化碳的好处。他的博士项目旨在找到水泥的替代品，而这个解决方案被证明是一种隔离二氧化碳的方法。现在他位于蒙特利尔的公司，Carbicrete该公司即将把这一过程带出实验室。

它的水泥替代品是磨碎的钢渣(主要由二钙和三钙硅酸盐组成)，由二氧化碳活化。这基本上逆转了传统的水泥制造过程，产生碳酸钙。Mahoutian说，这种混凝土更坚固，测试表明它比传统混凝土更抗冻融。

直到30年前，很多关于混凝土的研究都是关于强度和耐久性的。Mahoutian说:“现在是让混凝土变得清洁:让我们少用水泥，使用可再生能源，在更低的温度下制造——但我们仍然只减少了10-30%的二氧化碳。”

Carbicrete的产品在每个预制混凝土块(17 - 18公斤)中捕获了1公斤的二氧化碳，并避免了使用2公斤波特兰水泥所产生的1.5公斤二氧化碳。“是最大值吗?”Mahoutian问道。他说，可能不会，但我们必须考虑成本。

我们仍然只减少了10-30%的二氧化碳

这项技术为该公司去年赢得了价值2000万美元的NRG Cosia CarbonX大奖的决赛席位，这是一项为期四年的全球竞赛，旨在发现将二氧化碳从发电厂转化为有价值产品的突破性技术。但当Carbicrete从加拿大政府获得210万美元，帮助它在现有的混凝土工厂建造一个试点设施后，它退出了。预计将于今年年底开始，最终每天生产数千块。Carbicrete已经在实验室里制造了几百个。

Mahoutian认为，目前的钢渣产量足以覆盖“很大一部分”预制混凝土。在美国、欧洲和日本，重复利用率已经很高，但Mahoutian相信，他公司产品的价值意味着它将从其他价值较低的应用中转移出来，比如用于混凝土的骨料。

从长远来看，他们的计划是从生产Carbicrete预制件的工厂附近捕获二氧化碳。目前，它正在购买从另一种工业副产品中提纯的二氧化碳，这仍然是一个闭环。时机很好。Mahoutian说，今年加拿大各州将对工业排放者征收适度的碳税，但强制实施绿色混凝土标准将是最理想的。

以蔬菜为基础

方仓盛当时他正在寻找一种廉价的可再生材料，以帮助减少水泥排放，这时他了解到一家苏格兰公司利用农业废料生产用于油漆和涂料的纤维素纳米纤维。这就是根茎类蔬菜的用武之地。纤维素(赋予植物细胞壁强度的物质)可以被分解，形成一个松散的纳米纤维网络——“类似于一个有大表面积的松散编织的布”，Cellucomp的联合创始人埃里克·威尔说。该公司的产品名为Curran——盖尔语中胡萝卜的意思，是他们尝试的第一种蔬菜——也被用于纸板包装和复合材料。

萨菲解释说:“这种纳米材料就像一个蓄水池，可以把水一直输送到水泥中，这样水泥就更水化，也就有更多的胶水，所以水泥也就更坚固。”他们发现，每立方米混凝土可以比正常情况下少使用40公斤水泥。萨非在英国兰开斯特大学(Lancaster University)的团队制造的水泥密度也更高，因此任何生产出来的混凝土都可能有更长的使用寿命，不太容易被腐蚀。

“我们正在深入研究胡萝卜和水泥的DNA，以准确了解它们之间的相互作用，计算出胡萝卜纳米颗粒和水泥的最佳数量，并根据工作要求提出不同的食谱。”萨菲预计，他们将在一年内告诉建筑行业需要什么，英国将在2020年底前进行试验。

萨非的研究小组同时尝试了胡萝卜和甜菜:他说，胡萝卜有一点优势，但甜菜从北欧到埃及、俄罗斯和中国北方广泛种植。一旦糖被提取出来，就会产生大量的废物。Whale补充说，仅在欧洲就生产了600 - 700万吨甜菜颗粒，用于增加动物饲料，因此有一个现有的供应商和分销商基础设施。

另一种更昂贵的改善水泥水化的材料是石墨烯。英国埃克塞特大学的迪米塔尔·迪莫夫(Dimitar Dimov)坐在自己的后花园里讨论石墨烯在现实生活中的潜在应用，他称之为“顿顿顿开的时刻”。他突然想到，在世界上最常用的材料中添加石墨烯可以使其更坚固，这样就可以减少所需的材料。

他和他的同事们发现，添加石墨烯可以使混凝土的强度提高一倍，提高其抗弯强度，并使其高度不透水。迪莫夫解释说，石墨烯“充当水泥晶体之间的桥梁——这些晶体会机械地生长并相互锁扣。石墨烯在晶体之间的空隙更少。”

紧迫性是关键词

他们计算出，添加125克石墨烯可以使每立方米混凝土所需的水泥体积减少50%，这反过来意味着每吨碳排放减少446公斤。从这个数字的角度来看世界可持续发展工商理事会据估计，从1990年到2010年，全球每吨水泥的净排放量下降了约115公斤——尽管自那以后还在进一步下降。

“我们的技术和专利取决于你使用的石墨烯量。这对于不同的应用程序可能是不同的。我们发现了一个适用于普通混凝土的标准公式，但可以为专业应用量身定制强度;水渗透率;热性能，”解释道莫妮卡Craciun埃克塞特大学纳米科学和纳米技术教授。

他们的衍生公司Concrene的目标是“把点连接起来，把石墨烯制造商和混凝土制造商联系起来——混凝土世界永远不会靠自己接近石墨烯世界”，Dimov说。

它能被扩大吗?迪莫夫补充说:“我(在实验室)制作的所有混凝土块都使用自来水:我试图让它尽可能接近现实世界中发生的事情。”现在，Concrene的合作伙伴正在进行概念验证测试，同时寻找当地可持续生产的石墨烯生产商。

但混凝土行业是保守的，可以理解的是，他们更喜欢经过试验和测试的做法，以保证强度和耐久性。世界将不得不等待利用甜菜、石墨烯或二氧化碳建造的混凝土结构来证明它们经得起时间的考验，还是巴黎气候承诺将推动对新标准和法规的需求?

斯克里文纳说:“紧迫性是关键词。”“我们现在能做的任何事情都将为我们以后要做的事情节省一大笔钱。”

安杰丽·梅塔，英国爱丁堡科普作家