低碳混凝土之路

没人知道是谁先做的，也不知道是何时。但到了公元前2或3世纪，罗马工程师已经习惯性地研磨烧制的石灰石和火山灰来制造**caementum**：一种与水混合后便开始硬化的粉末。

他们广泛使用这种仍呈浆状的混合物作为砖石工程的砂浆。但他们也学会了在水中加入浮石、鹅卵石或陶器碎片：只要比例合适，这种水泥最终会将它们结合成一种坚固耐用、岩石般的集合体，称为**opus caementicium**，或者——用后来一个源自拉丁语“聚集”的动词——**concretum**。

罗马人在他们的帝国中广泛使用这种奇妙的材料——在高架渠、防波堤、竞技场，甚至像罗马市中心至今仍屹立不倒的万神殿这样的寺庙中，万神殿至今仍拥有世界上最大的无钢筋混凝土穹顶。

两千年后，我们仍在做着大致相同的事情，每年倾倒数十亿吨混凝土用于道路、桥梁、高层建筑以及现代文明的所有其他大型构件。事实上，全球人类每年使用的混凝土估计达到300亿公吨——除了水之外，比任何其他材料都多。随着中国和印度等快速发展中国家持续数十年的建筑热潮，这个数字只会继续上升。

不幸的是，我们对混凝土的长期热爱也加剧了我们的气候问题。当今最常用的粘合混凝土的**caementum**种类是一种19世纪的创新，被称为波特兰水泥，它是在能源密集型窑炉中制造的，每生产一吨产品就会产生超过半吨的二氧化碳。将这个数字乘以全球数十亿吨的使用量，水泥制造约占二氧化碳总排放量的8%。

诚然，这远不及交通运输或能源生产所占的比例，两者都远超20%。但随着应对气候变化的紧迫性促使公众对水泥排放的审查日益严格，以及美国和欧洲可能出现的政府监管压力，这个问题已大到不容忽视。“现在人们认识到，到2050年，我们需要将全球净排放量削减到零，”挪威奥斯陆国际气候研究中心（CICERO）高级研究员罗比·安德鲁（Robbie Andrew）说。“混凝土行业不想成为坏人，所以他们正在寻找解决方案。”

伦敦的全球水泥与混凝土协会和伊利诺伊州的波特兰水泥协会等主要行业组织现已发布详细路线图，旨在到2050年将8%的排放量降至零。他们的许多策略依赖于新兴技术；更多的策略则在于扩大替代材料和数十年来未被充分利用的做法。所有这些都可以通过混凝土生命周期中表征的三个化学反应来理解：煅烧、水化和碳酸化。

直接方法：从源头消除排放

波特兰水泥是在大型回转窑中通过煅烧反应制成的

碳酸钙（石灰石、白垩）+ 热 → 氧化钙（生石灰）+ 二氧化碳。

富含碳酸盐的岩石被研磨，与粘土一起放入窑中，粘土与生石灰融合，并提供矿物质，最终帮助混凝土抵抗裂缝和风化。最终产品是“熟料”：淡灰色的结核，研磨后制成水泥粉。

窑炉约40%的二氧化碳排放量来自这个方程式中的“热”项，这是一个难以削减的比例。熟料生产需要1450摄氏度的峰值温度，比熔岩还要热，窑炉操作员长期以来一直认为，达到这个温度的唯一可行方法是燃烧煤炭或天然气。木材等生物质燃烧的温度不够稳定。而由风能或太阳能等可再生能源供电的标准电加热器，其热量来自载流导线中的电阻。“你还没能输出多少热量，电线就已经散架了，”安德鲁说。

然而，该行业现在已经开始探索可以由可再生能源供电的全电动选项。例如，今年5月，瑞典绿色科技公司SaltX Technology展示了其电弧煅烧炉可以生产熟料：这是一个专有系统，类似于汽车制造商和其他制造商广泛用于切割金属的等离子炬。等离子炬将电流通过惰性气体（通常是氮气或氩气）射流，使气体电离并将其加热到20,000摄氏度以上。6月，SaltX宣布与瑞典石灰石供应商SMA Mineral合作，加速其技术的商业化。

2021年，德国公司海德堡水泥公司（HeidelbergCement）证明，他们可以通过用氢气代替化石燃料来制造熟料，氢气燃烧温度超过2000摄氏度。目前，氢气主要由天然气制成。但它也可以通过水电解制成。因此，安德鲁说，随着清洁能源价格下降和用绿色电力大量生产氢气变得更加可行，水泥公司的兴趣正在增长。

但即便如此，在全国乃至全世界的水泥制造商能够全面转向氢气之前，仍有工作要做，负责波特兰水泥协会可持续发展工作的理查德·博汉（Richard Bohan）说。目前的系统尚未为此做好准备。“氢气会很棒——而且可以立即将我们的碳足迹减少40%，”他说。“然而，氢气需要基础设施——无论是管道还是非常强大的电网，而我国部分地区目前还没有。”专家表示，如果国会通过旨在加快能源项目的拟议措施，可能会有所帮助。

为了解决水泥排放中剩余的60%——即煅烧反应右侧释放的二氧化碳——该行业正在开始重新启用一些旧的水泥原材料替代品。

例如，只需在最终产品中添加一些粉状的未烧制石灰石，窑炉的碳足迹就可以减少多达10%。（石灰石本身相对惰性，但与水混合时会帮助波特兰水泥硬化。）这种波特兰石灰石水泥已在欧洲广泛使用，现在在美国也开始流行。“我们看到该国某些地区波特兰石灰石水泥成为主要材料，我们听到个别工厂表示，他们以后将只生产这种类型的水泥，”博汉说。

窑炉操作员也在重新考虑用富含矿物质的工业废弃产品替代部分石灰石基水泥。一个常用的例子是炼钢厂的高炉矿渣，它富含钙，与水混合后会像标准水泥一样硬化。另一个例子是燃煤电厂的粉煤灰，它本身不会硬化，但与水和标准水泥混合后会硬化。无论哪种方式，由此产生的混凝土至少与标准混凝土一样坚固耐用，只是磨损性稍大，凝固速度较慢，同时可能将排放量再减少15%甚至20%。

诚然，这些废物在最初产生时排放了大量的二氧化碳。但将它们用于水泥不会产生任何**新的**碳。两个多世纪的工业化已经留下了大量的矿渣和灰烬，即使我们最终完全淘汰煤炭。“这是一个双赢。如果你有废料，那么用它替代熟料比生产新熟料更便宜，”安德鲁说。事实上，这种技术已经在巴西和中国等快速增长的国家广泛使用，这些国家在发展工业的同时也产生了大量的矿渣和灰烬。

然而，仅靠上述替代品，并不能将化学反应右侧释放的二氧化碳总量减少超过60%中的五分之一左右。因此，着眼于2050年零排放目标，行业研究人员一直在研究至少六种替代水泥配方，这些配方可以最大程度地减少或消除60%的排放——通常是通过消除产生排放的波特兰水泥成分碳酸钙。

旧金山气候政策智库能源创新研究工业温室气体排放的环境科学家杰弗里·里斯曼（Jeffrey Rissman）警告说，这绝对是一个长期解决方案。“这些较新的技术处于研发和商业化的不同阶段，”他说。“所以它们仍需要更多的技术改进来帮助它们扩大规模并降低成本。”

尽管如此，一些替代方案比其他方案发展得更成熟。其中最完善的是地质聚合物，这是一种当各种硅和铝氧化物浸泡在碱性溶液（如碱液（氢氧化钠））中时形成的坚硬材料，它们通过相互连接形成长链和网络。在施工现场需要使用碱性溶液而不是普通水，这使得地质聚合物水泥更难处理。即便如此，它们已成功用于许多建设项目。在过去十年中，行业兴趣迅速增长：地质聚合物不仅总碳足迹比普通波特兰水泥小80%，而且它们也相当坚固。它们还更耐水、耐火、耐风化和耐化学品——这就是为什么自1970年代以来，地质聚合物已被商业生产用于封装有毒废物、密封普通混凝土以防风化以及各种其他非水泥应用。

原材料不乏：炉渣和粉煤灰中含有丰富的氧化硅和氧化铝，它们也存在于粘土、废弃玻璃甚至农业副产品中。（烧焦的稻壳富含二氧化硅，对吸入它们的人有呼吸道危险。）因此，除了减少碳排放外，地质聚合物水泥的广泛使用还可以成为处理相当多麻烦废物的便捷方式。

间接方法：最大限度提高混凝土效率

一旦到达施工现场，水泥便开始在水化反应中实现其预期用途

水泥（氧化钙和矿物质）+ 水（H2O）+ 骨料（沙子或碎石）+ 空气 → 混凝土。

水泥、水和骨料被混合成浓稠的浆料（或由混凝土搅拌车运送），倒入模具中，静置数天或数周，水和水泥反应形成混凝土。此过程还会将用于增强强度和体积的骨料以及任何钢筋等加固材料锁定在其中。

除了将材料运到现场所需的运输外，此处不会产生任何额外的二氧化碳。但水化方程式确实强调了一种间接减少建筑物水泥用量从而减少其碳足迹的方法：尽可能节约使用混凝土。

根据全球水泥和混凝土协会气候路线图的估算，仔细关注混凝土效率可以实现近四分之一的减排量，以达到行业2050年零排放目标。但C40城市（一个国际气候行动组织）清洁施工负责人塞西尔·法劳德（Cécile Faraud）表示，这尚未成为常态。“惯例是，‘哦，为了安全起见，我们再多浇一点混凝土吧。’”

波特兰水泥协会的博汉也同意这一点——而且理由充分：“承包商、材料供应商、建筑师和工程师天生就非常厌恶风险，”他说，制定建筑规范的机构也是如此。“他们希望建成环境能够持续很长时间”——几十年，甚至几个世纪。而且，正如2021年佛罗里达州瑟夫赛德发生的一座40年高龄公寓倒塌，造成98人死亡的事件所示，结构性故障的后果可能非常严重。

博汉补充说，尽管如此，面对气候变化，人们的态度已开始转变。“行业已经开始意识到，他们可以拥有安全、保障和韧性，**同时**拥有可持续的建成环境，”他说。他们还必须与越来越多的具有气候意识的城市合作，这些城市正在通过立法推动变革：例如，2016年，温哥华设定目标，到2030年将混凝土和其他结构材料产生的排放量减少40%。

建筑商和工程师正在尝试许多方法来节约混凝土，同时又不损害安全。其中之一是通过精心设计。例如，里斯曼说，高强度混凝土混合物通常含有较高的水泥含量——因此，碳足迹也更大。“你可以将这些混合物用于支撑柱等结构构件，而将低强度混合物用于不需要承受重物的走道或楼梯，”他说。

今年5月，奥地利格拉茨工业大学的研究人员展示了一种实现类似结果的更高科技方法，他们发现通过使用建筑规模的3D打印机，可以将混凝土建筑的碳足迹减少多达50%。在这些系统中，机器人控制的喷嘴挤出湿混凝土流，一层一层地建造墙壁和其他构件，近年来作为一种快速、经济地用当地材料建造房屋和其他结构的方式，吸引了全球关注。格拉茨团队通过这种方法创建了复杂的、充满空隙的墙壁和天花板，将混凝土精确地放置在需要强度和安全的地方，而没有放置在其他地方，从而实现了节约。该团队还表明，打印机可以与湿浆一起挤出细钢丝，从而加固那些仅靠混凝土不足以提供强度的结构部分——而无需传统的钢筋或螺纹钢。

一种更高科技的方法是使用含有悬浮石墨烯薄片的水制成的混凝土：石墨烯是一种超强碳形式，其原子以一层原子厚的六边形晶格相互结合。2018年，英国埃克塞特大学的一个研究团队宣布，他们使用这种石墨烯悬浮液生产的混凝土比传统混凝土强度高146%。如果能找到以足够低的成本大规模生产石墨烯的方法——许多团队正在努力降低这些成本——那么该团队的计算表明，用这种混凝土建造的整个建筑物只需要传统建造的建筑物一半的水泥，就能达到相同的结构强度。这可能对二氧化碳排放产生重大影响。

甚至有一种无需科技的方法：尽可能长时间地使用我们已经建造的结构。毕竟，“你的建筑物越耐用，你需要建造新建筑的混凝土就越少，”维也纳中欧大学的环境科学家、**《2020年环境与资源年度评论》**中关于实现净零建筑行业方法的研究合著者戴安娜·厄尔盖-沃尔萨茨（Diana Ürge-Vorsatz）说。

厄尔盖-沃尔萨茨（Ürge-Vorsatz）也是政府间气候变化专门委员会减排工作组的副主席，她说，在像美国这样的发达国家，这将需要税收政策和其他奖励措施来鼓励重复利用，而不是无休止地建造光鲜亮丽的新建筑。在像中国和印度这样的快速发展中国家，她说，提高建筑物的寿命意味着将重点从速度转向质量。“当你只想快速扩张时，你就会选择最便宜、最快的方式，”她说。“在东欧，我们在1960年代和70年代经历了一次大规模的建筑热潮，其中许多建筑物现在已经开始摇摇欲坠。”

还有一种无混凝土方法：完全用更可再生的材料替代这种灰色物质。一种新兴的选择是大尺寸木材：这是各种木材产品的通用名称，这些产品通过胶合或其他方式粘合在一起，形成巨大的结构构件，其性能可以与混凝土和钢材媲美甚至超越。自20世纪90年代初奥地利研究人员开发以来，大尺寸木材已在欧洲广泛使用，并在美国引起了越来越多的关注——特别是在俄勒冈州和华盛顿州等拥有广阔森林和许多闲置锯木厂的州。世界上最高的木结构建筑，一座于2022年7月在威斯康星州密尔沃基竣工的87米高的公寓零售塔楼，可能不会长期保持这一殊荣：已经提出了更高的大尺寸木材建筑——包括一座将在芝加哥海滨拔地而起80层楼高的建筑。

前沿方法：利用碳酸化反应

与表面现象相反，混凝土**并非**化学惰性。例如，即使它开始硬化，它也已经参与到碳酸化反应中：

Ca(OH)2（在混凝土中）+ CO2（在空气中）→ CaCO3 + H2O（水蒸气）

安德鲁说，实际上，这是水泥制造过程的自发逆转：一旦混凝土中的钙化合物暴露在空气中的二氧化碳中，“它们就会试图闭合循环，再次形成碳酸钙。”

安德鲁补充说，这在新鲜混凝土表面发生得很快，然后随着二氧化碳分子必须扩散到固体内部更深处才能找到未反应的钙而减慢。但它从未完全停止——这意味着散布在地球上的所有这些混凝土结构实际上都在从大气中吸收二氧化碳，并抵消了它们造成的一些气候损害。在路线图中，波特兰水泥协会估计，较旧的混凝土结构已经吸收了建造它们所产生的二氧化碳的约10%。但博汉说，这是一个刻意保守的数字；其他估计高达43%。

对建筑商来说，碳酸化确实常常被视为必须对抗的敌人——尤其是在大型、重型结构构件，如地基、柱子和挡土墙中，所有这些都必须用钢筋加固。在提供碱性环境的新鲜混凝土中，这种钢材被一层保护性氧化物层包围。但在碳酸化混凝土中，化学性质发生变化并溶解了保护层。这使得钢材完全暴露在锈蚀和腐蚀中，最终可能导致结构倒塌。

然而，在过去十年中，至少有六家初创公司成立，其技术旨在增强碳酸化反应——从而使混凝土成为大气二氧化碳的重要储存库。

其中最成熟的初创公司之一是总部位于新斯科舍省的CarbonCure，该公司已在全球售出700多套系统，用于在混凝土工厂安装，将从工业来源捕获的二氧化碳注入新鲜的湿混凝土混合物中。注入的二氧化碳立即开始与浆料反应，在几分钟内使其充满固态碳酸钙纳米晶体的“暴雪”。CarbonCure 表示，这些纳米晶体反过来会增强混凝土固化时的强度——这意味着建筑商可以减少大约5%的波特兰水泥用量，而不会损失安全裕度。此外，该公司表示，其混凝土混合物可以与标准钢筋一起使用，因为固态纳米晶体不会像大气二氧化碳那样降解保护性氧化物层。

在加利福尼亚州洛斯加托斯，Blue Planet Systems希望通过不关注混凝土中的水泥部分，而是关注骨料（构成混凝土大部分体积的惰性砂或砾石填充物）来实现更显著的减排。该公司的工艺是专有的，但基本思路是：以任何富含钙的废弃产品为起点，例如拆除现场的矿渣或混凝土碎石，将其浸泡在“捕获溶液”中，并暴露在水泥窑、发电厂、钢厂或任何其他排放源产生的未经处理的烟气中。该溶液帮助钙离子直接从烟气中捕获二氧化碳并将其结合成碳酸钙。

在回收捕获溶液以供重复使用后，最终结果是含有44%碳酸钙的固体结核。Blue Planet公司正在加利福尼亚州匹兹堡建设其第一家示范工厂，该公司表示，当用作骨料时，这些结核产生的混凝土所结合的二氧化碳量与制造它所产生的二氧化碳量相当或更多——每立方米近670公斤。

这些创新是否真的能让混凝土行业实现净零二氧化碳排放，仍有待观察。然而，行业观察家和内部人士都对其充满乐观，哪怕仅仅是因为变革的势头来得如此之快。安德鲁说，请记住，就在十年前，波特兰水泥似乎根本没有可行的、气候友好的替代品。这种材料价格低廉，广为人知，并且已经拥有庞大的基础设施——数百个采石场，数千个窑炉，以及庞大的车队，将预拌混凝土浆料运送到建筑工地。“所以很长一段时间以来，水泥生产的脱碳一直被放在‘太难’的篮子里，”他说。

然而，博汉说，今天，“由于对气候问题的强烈关注，人们现在正在回顾并说，‘哇，我们以前没有意识到所有这些选择都可用。’”

编者注：本文于2022年11月21日更新，以澄清CarbonCure销售的系统数量以及设施类型。CarbonCure已售出700多套系统，在全球数百家混凝土工厂运行。文章最初称CarbonCure已为418家波特兰水泥厂配备了其系统。还进行了一项更改，以澄清这些系统使用的二氧化碳来源来自各种工业来源，而不是像所暗示的那样主要来自发电厂。

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M. Mitchell Waldrop是华盛顿特区的一名自由记者。 本文最初发表在《Knowable Magazine》上，该杂志是Annual Reviews旗下的一项独立新闻事业。