随着减少全球碳排放的竞赛继续获得关注和动力，许多行业都在探索如何采取行动，以及采取什么行动，以缓慢地——或飞跃——实现减排目标净零碳终点线，通过对其业务和产品进行脱碳。

为建筑业该地区经常因其对碳排放的重大贡献而受到批评，但有一个勘探领域却脱颖而出:含碳量高的材料,特别是混凝土。

自从被古希腊和古罗马采用以来，混凝土已经帮助人类繁荣了数千年，成为我们最受欢迎和最通用的建筑材料。它是目前使用最广泛的人造材料，也是仅次于地球上消耗量第二大的资源水．

由于使用如此广泛，混凝土生产估计占全球碳排放总量的8%。这让它获得了世界上最大的工业污染排放国的不光彩头衔，相当于比世界上所有汽车的碳排放量加起来还要多。

混凝土被广泛应用于我们的许多领域建筑环境- - - - - -基础设施而且建筑在所有形状和尺寸中，对于混凝土强度高且不可避免使用的大型和复杂结构，排放尤其令人担忧。

例如，据估计，一座高塔的结构包含的隐含碳相当于15到30年的运营碳足迹，而且这个数字随着高度的增加而增加。同样，在现代地下今天的铁路系统是在未来的脱碳电网的前提下建造的，据估计，混凝土在整个生命周期的碳足迹中约占15% - 20%。

当我们奔向低碳和零碳目标在我们生活的许多领域，我们可以继续建造大型建筑，但我们必须更聪明地使用材料。我们的商业惯例已经可以通过部分减少20% - 40%的具体结构足迹水泥替代和其他的意思。但如果我们把目标定在100%呢?如果我们这样做了，想象一下整个星球的流动效应。

通向低碳或零碳混凝土的道路

混凝土在建筑中仍然是必不可少的。当它继续存在的时候，新兴的发展可能会定义一个具体的途径，以支持向低碳或零碳世界的进展。我们确定了三条主要途径:追求效率的增量收益、管理产生的碳和消除排放源。

虽然所有这些方案都无法单独实现零碳排放，但它们都实现了不同程度的改善，当它们结合在一起时，它们提供了一个强大的解决方案，有可能达到“非常低”的排放，甚至是实现零排放的步骤变化。

混凝土和碳排放

具体来说，混凝土是由多种原料通过多种不同的配方制成的，就像蛋糕一样。蛋糕的原料，如面粉、黄油、糖、水果和鸡蛋，类似于水泥/粘合剂的混凝土成分，水每个人在配方上都有自己的变化，这影响了强度、工作性、耐久性、收缩甚至颜色等特性，如图1所示。

当我们谈论标准混凝土的碳排放时，我们主要关注的是其中一种成分——水泥。尽管水泥只占混凝土重量的8% - 15%，但它却贡献了令人震惊的85% - 95%的CO₂排放(Kestner, D.(2020)。《超越粉煤灰:如何优化混凝土结构以减少隐含影响》)。

现代建筑中几乎所有的水泥都是普通硅酸盐水泥(OPC)，自19年以来一直在生产^th世纪。通过加热石灰石和粘土，在这个过程中产生了许多复杂的化学反应，其中最重要的一个要关注的是从石灰石到氧化钙的转变(图2)。

有限公司₂是创造这种水泥的固有和不可避免的结果。它占了总排放量的一半以上，其次是产生热量和电力所需的燃料(图3)。能源和现代脱碳系统的物流排放，如果使用OPC水泥，化学排放不可避免。

减少或消除混凝土碳排放的途径

那么，有哪些途径可以减少或消除混凝土的碳排放呢?

1.通过混凝土的制造和使用来提高效率

近几十年来，混凝土供应商和用户对传统混凝土的制作和使用方式进行了改进，并取得了显著的进步。

用工业副产品部分替代水泥;水泥厂能源供应的转换;在水泥窑中从湿到干过程的转变;更多地采用研究和添加剂来优化混合性能，都有助于性能和性能的不断提高环境的结果混凝土。

虽然排放量仍然很高，但好消息是，还有很多机会可以进一步改进和改善，特别是在以下方面:

• 优化组合设计:研究表明，通过应用一个特定的三阶段过程来优化混合设计，以达到降低CO的目的₂内容是可能的。通过从高强度水泥开始，然后通过包括石灰石填料的添加剂和混合料设计最大化结构性能，最后将水泥含量降低到目标结构要求，研究人员实现了40 MPa的混合料，仅为150 kg/m^3.水泥。然后，他们通过许多实际应用验证了CO的降低₂含量为35% - 60%，与传统混凝土相比。通过更聪明的混合设计获得更多收益的潜力是显而易见的。
• 提高规范:设计师通常只根据强度来指定混凝土，并将其应用于不同结构用途的大型组合。条款包括，不鼓励环境改善没有确凿的理由，然后承包商也强加额外的规格限制。虽然有些规范是合理的，但它们经常作为贯穿整个项目的通用规则应用，加剧了问题，但也增加了改进的机会。例如，地基要过了标准的28天固化和固化期很久之后才会满负荷;很少有机会允许更慢的强度增加，这将使更低的水泥使用量。另一个例子是，水泥的最大含量很少规定，因此在许多预制和后张拉使用过高的水泥混合料，以实现早期强度。通过在颗粒级仔细规范性能特征，适合每一种用途，并通过只在需要的地方指定高性能特征，供应商获得了自由和方向，以优化每种混合设计的所有其他方面的环境结果。这有可能大幅减少排放。
• 多元化的能源:大约三分之一的水泥排放来自于过程加热的燃料燃烧。随着工业和发电领域最近的技术进步，这些排放的大幅减少似乎很快就会实现。可行的(研究、测试和采用的)选项包括“绿色”氢、集中太阳能加热、生物燃料和生物质、废物燃料和可再生能源。这些和其他类似的解决方案在显著减少混凝土的典型排放方面表现出极大的潜力，并正在全球范围内被采用——大约75%的美国水泥制造商已经在使用某种形式的替代燃料。

2.管理通过碳捕获和封存产生的碳

提供相同的产品，但净碳完全减少制造业过程是新兴的碳捕获和封存技术的目标。这个复杂的过程可以分为三个关键领域:

• 截图:未经处理的水泥厂排放物含有许多气体和捕获CO₂这不是一件容易的事，这就是为什么它还没有在工业规模上广泛实施的原因。尽管如此，在三个主要领域仍有许多有前景的试验和应用出现:
  
  
  1. 燃料燃烧前捕获
  2. 氧燃料燃烧，净化排放流
  3. 燃烧后技术(例如，化学和物理吸收、低温分离和膜)
  燃烧后捕获试验很受欢迎，因为它们可以在现有的工厂中进行改造，而且全球许多水泥厂都在进行这种试验，比如中国、印度和印度。另一个发展中地区正在分离和捕获二氧化碳₂石灰石的化学煅烧是碳排放的最大来源。此外，有希望的试验正在进行中，如欧盟资助的低排放强度石灰和水泥项目，该项目将使欧洲的水泥和石灰行业大幅减少排放，同时保留甚至提高挪威的国际竞争力。另一个发展中地区正在分离和捕获二氧化碳₂石灰石的化学煅烧是碳排放的最大来源。同样，有希望的试验正在进行中，如欧盟(EU)资助的低排放强度石灰和水泥项目，该项目将使欧洲的水泥和石灰行业大幅减少排放，同时保持甚至提高国际竞争力。
• 在其他地方使用或封存碳:一旦碳被捕获，就需要对其进行一些积极的处理——可行的选择包括小规模的工业使用，以及如政府间气候变化专门委员会(IPCC)所建议的将碳注入枯竭的石油和天然气储备等更大规模的选择。(图4)。



图4:碳捕获和储存过程包括将二氧化碳注入地下洞穴，特别是石油和天然气开采留下的洞穴。©全球CCS(碳捕获与存储)研究所

• 将碳封存到混凝土中:一个更整洁、更独立的想法是将碳封存到它产生的混凝土中。用CO养护混凝土₂中国仍然是一个发展中地区，但目前据称可以永久安全地消耗240kg的二氧化碳₂每米^3.可以节省三万亿公升的水。虽然一些有限的研究表明，混凝土的力学性能和钢筋的耐久性有所下降，但这项技术仍在发展中，未来可能会有更高的隔离率。

3.消除排放源

如果混凝土可以去除它最大也是最难排放碳的元素——波特兰水泥呢?这是一个新兴的地聚合物混凝土家族的目标。虽然地聚合物水泥并不新，而且已经使用了几个世纪，但将其研发成一种可靠的、可大规模生产的建筑材料是相对近期的事情。

由于目前的研究正走向临界质量，当它成为一种可行的、可扩展的产品时，可能会取得重大进展。

地聚合物指的是一种广泛的具有替代粘合剂的混凝土，通常是硅铝基的。这些粘合剂取代波特兰水泥，因此可以去除化学物质一氧化碳₂石灰石煅烧的排放。如今，用于地质聚合物水泥的两种最常见的成分是粉煤灰和磨碎的矿渣，这些传统的水泥添加剂本身成为主要成分。

从长远来看，偏高岭土作为一种地聚合物水泥的研究和试验显示出很大的前景，而且由于它来自地球上最常见和最广泛的矿物之一，它似乎是最有可能被大规模采用的长期来源，因为向可再生能源的过渡减少了煤炭开采的副产品。许多其他替代品，如Bor铝硅酸盐和镁基水泥也处于不同的研究阶段。

这些碱活化混凝土的优点是非常强，可以立即提供55% - 75%的CO含量₂与普通混凝土相比，在大多数混合中减少。这为采用提供了动力。虽然存在一些缺点和障碍需要克服，包括所需的碱激活剂化学品对环境的潜在不利影响、新兴产品构成的可变性造成市场不确定性，以及缺乏监管支持，但这些似乎都是可以解决的。

虽然有许多令人鼓舞的进展，取得巨大进展的前景是积极的，但也存在阻碍进展和减缓广泛采用的挑战。在所有通往低碳或零碳混凝土的道路上，供应链的可用性、商业化和行业接受度是采用该技术的关键障碍。

特别是对于地聚合物来说，还存在着关于变异性和耐久性的额外挑战，但持续的研究将有助于理解和缓解这些问题，并带来更大的一致性、清晰度和对行业的信心。

成本和规模经济仍然是采用该技术的一大障碍。正如我们在许多行业看到的那样，减排产品在规模和成本驱动的市场中很难竞争，除非客户对它们有需求。这种需求是推动行业更大发展所必需的，如果客户不承担额外的成本，就很难从经济角度证明投资是合理的。

混凝土的明天:零碳混凝土可能吗?

尽管存在这些障碍，但技术障碍正在被打破，将这些发展应用于各个地区的可能性正在打开建筑环境．过去几十年取得的增量收益看来将在短期内加速并导致碳足迹的减少。

中期而言，如果能够克服经济障碍，碳捕集和封存可占供应方面剩余减排潜力的相当大比例，而最终用户无需承担责任。对地聚合物混凝土的投资，同时已经在做进展在建筑市场的某些角落，似乎在整个行业的长期可行。

而政府，开发商，设计师，供应商和建筑商参与大型基础设施项目从混凝土的这些进步中获益良多，更广阔的建筑环境也是如此。关键是要利用最大的机会来塑造供应链，并充当变革的灯塔。如果各方能够共同努力实施低碳和(某一天)净零碳的混凝土解决方案，那么建筑环境的收益将是显著的。

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关于作者

大卫法律是Aurecon的专业建筑设计师和结构工程师。他曾在三大洲从事复杂结构的设计工作，并对可持续建设和医疗设施产生了专业热情。他喜欢设计新奇的解决方案和想法所带来的兴奋感。通过各种研究和行业领导活动，包括领导澳大利亚维多利亚州的零碳混凝土行业工作组，他对推动可持续和低碳混凝土成果具有特别的兴趣和知识。

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本文改编自大卫·劳于2021年10月发表在《高层建筑与城市人居理事会》(CTBUH)期刊上的论文《零碳混凝土摩天大楼是否可能》。

Aurecon是一个骄傲的成员材料隐含碳联盟(MECLA)．