傳統(tǒng)混凝土路面施工

造成氣候變化的一個重要因素其實就在我們腳下，混凝土公路。改變混凝土可能是防止溫室氣體進(jìn)入大氣層的有力解決方案。水泥是混凝土中的粘合劑，其生產(chǎn)占2018年全球二氧化碳排放總量的7%。混凝土是地球上最常用的資源之一，全世界每年生產(chǎn)約260億噸混凝土。這一產(chǎn)量預(yù)計至少在未來20年內(nèi)不會放緩。

考慮到混凝土行業(yè)的規(guī)模及其溫室氣體排放量之大，改造混凝土的技術(shù)可能對氣候變化產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。所以土木工程師和環(huán)境工程師一直在努力開發(fā)新一代混凝土技術(shù)，以減少基礎(chǔ)設(shè)施的碳足跡、碳排放，并提高混凝土的耐久性。工程師們研究的新型混凝土包括可大量注入二氧化碳的混凝土，這種混凝土可以吸收、鎖住并儲藏溫室氣體二氧化碳，而且更加堅固，甚至可以彎曲。

據(jù)美國科學(xué)家調(diào)查，目前該行業(yè)面臨重大變革的時機(jī)已經(jīng)成熟，尤其是拜登(Biden)政府承諾在基礎(chǔ)設(shè)施項目上大舉投資，同時期望大量減少美國的碳排放。然而，要以混凝土的形式在大范圍內(nèi)大幅減少二氧化碳的排放，就必須考慮到所有與之相關(guān)的排放。

新型混凝土

新型混凝土減少二氧化碳的排放

混凝土是由膠凝材料和顆粒狀集料，主要是巖石和沙子，以及水泥和水組成的。因為混凝土80%的碳排放是由水泥貢獻(xiàn)的，所以研究人員一直在努力尋找能夠替代水泥的材料，以希望減少溫室氣體的排放。

工業(yè)副產(chǎn)品如鐵渣和粉煤灰現(xiàn)在經(jīng)常被用來制備混凝土，以減少水泥的使用。由于這一變化，生產(chǎn)出來的混凝土可以顯著降低排放。替代粘合劑，如石灰石煅燒粘土，也可以減少水泥的使用。研究發(fā)現(xiàn)，使用石灰石和煅燒粘土可以減少至少20%的碳排放，同時還能降低生產(chǎn)成本。

新型混凝土每年可吸收14億噸二氧化碳

除了開發(fā)混合水泥外，研究人員還專注于如何將捕獲的二氧化碳用作混凝土的成分，將其封鎖在混凝土中，防止其進(jìn)入大氣中。二氧化碳可以以聚集體的形式加入，也可以在混凝土澆筑中注入。這個過程就是碳化固化（Carbonization curing），又稱二氧化碳固化。碳化固化是一個二氧化碳和水泥中含鈣化合物之間的反應(yīng)，反應(yīng)放熱，可在澆筑后24小時內(nèi)應(yīng)用于混凝土制品。

水泥材料的碳化固化是一種二氧化碳捕集和封存技術(shù)，被認(rèn)為是最有前途的二氧化碳利用方法之一。這些過程將二氧化碳?xì)怏w轉(zhuǎn)化為礦物，產(chǎn)生固體碳酸鹽，也可以提高混凝土的強(qiáng)度。這意味著建筑可能需要更少的水泥，從而減少碳排放量。CarbonCure和Solidia等公司已經(jīng)開發(fā)出技術(shù)，將這些工藝用于建筑工地澆注混凝土和預(yù)制混凝土，如煤渣磚和其他建筑材料。

科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)可彎曲混凝土

可彎曲混凝土

在密歇根大學(xué)(University of Michigan)，科學(xué)家們正在研究復(fù)合材料，生產(chǎn)一種可彎曲的混凝土材料，這種材料允許更薄、更不脆的結(jié)構(gòu)，需要更少的鋼筋，進(jìn)一步減少碳排放。這種材料可以被改造成最大限度地儲存二氧化碳，方法是使用更小的顆粒，它們很容易吸收二氧化碳并與之反應(yīng)，將其轉(zhuǎn)化為固體礦物質(zhì)，從而儲存在混凝土中。

基于二氧化碳的可彎曲混凝土可用于一般建筑、水和能源基礎(chǔ)設(shè)施以及交通基礎(chǔ)設(shè)施中?？蓮澢炷烈呀?jīng)應(yīng)用在日本大阪61層的北濱大廈，以及密歇根州伊普斯蘭蒂的路橋板。

可彎曲混凝土

新型混凝土能減少二氧化碳凈排放嗎？

盡管以上這些尖端技術(shù)可以解決混凝土基礎(chǔ)設(shè)施的碳排放問題，但障礙仍然存在。在2021年2月8日發(fā)表的一項研究中，科學(xué)家們預(yù)計到2050年，新型混凝土將每年吸收10-14億噸二氧化碳，顯著減少碳排放，大大降低混凝土的溫室氣體排放量。但是，這個估計并沒有綜合考慮二氧化碳的捕獲、運(yùn)輸和利用、混凝土抗壓強(qiáng)度的變化以及混凝土生產(chǎn)過程的不確定性和可變性。

通過考慮這些因素，科學(xué)家計算了混凝土生產(chǎn)和使用中的二氧化碳凈排放量，包括二氧化碳固化的混凝土以及使用新材料來替代傳統(tǒng)水泥生產(chǎn)的混凝土。結(jié)果表明，新型混凝土的二氧化碳凈排放有很大可能是增多的，數(shù)據(jù)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)56-68%的新型混凝土其實增加了二氧化碳凈排放。

密歇根州伊普斯蘭蒂的路橋板由可彎曲混凝土做成

所以，科學(xué)家們建議制定一個標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳固化方案。試驗表明，二氧化碳固化可以提高混凝土的強(qiáng)度和耐久性，但具體的固化程序和混凝土配比對效果影響很大，其效果也不同。需要進(jìn)一步研究可以改善固化過程的條件和時間，以提高混凝土的性能，并真正達(dá)到吸收和封存二氧化碳的目的。

二氧化碳固化過程中最大的碳排放源其實是電的使用，但是可以通過簡化過程以及利用廢熱來減少電的使用。高級混凝土混合料，特別是可彎曲混凝土，可以通過增加耐久性來解決這些問題。

北濱大廈是日本最高的住宅樓，用可彎曲的混凝土建造，具有抗震性能。

將基礎(chǔ)設(shè)施和環(huán)保政策結(jié)合起來

2020年，許多國際大公司宣布了減少碳排放的措施。然而，建筑業(yè)的轉(zhuǎn)型仍然需要政府的投資和采購政策。在美國，很多地方政府正在邁出第一步。“低碳混凝土”的規(guī)定和減少混凝土中水泥用量的項目在美國各地涌現(xiàn)，包括加利福尼亞州的馬林縣，紐約的哈斯丁，還有在俄勒岡州波特蘭市進(jìn)行人行道試點。

在紐約和新澤西，立法者提出了州級政策，在投標(biāo)過程中對混凝土碳排放最低的提案提供價格折扣。這些政策可以作為減少混凝土生產(chǎn)和其他建筑材料碳排放的藍(lán)圖。美國拜登政府有望開始解決美國基礎(chǔ)設(shè)施問題，以及氣候變化問題，并通過一項戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)設(shè)施項目創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會。

美國交通部長皮特·布蒂吉格(Pete Buttigieg)最近宣布，“在推進(jìn)美國的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)方面，存在著創(chuàng)造就業(yè)、公平和氣候成就的巨大機(jī)會。”將低碳混凝土提升為解決世界性氣候問題的政策方案也會隨之而來，也許全世界都將受益。

可彎曲混凝土