傳統(tǒng)混凝土路面施工

造成氣候變化的一個(gè)重要因素其實(shí)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%?；炷潦堑厍蛏献畛Ｓ玫馁Y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(jì)至少在未來(lái)20年內(nèi)不會(huì)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(duì)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(kāi)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(chǔ)藏溫室氣體二氧化碳，而且更加堅(jiān)固，甚至可以彎曲。

據(jù)美國(guó)科學(xué)家調(diào)查，目前該行業(yè)面臨重大變革的時(shí)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(xiàng)目上大舉投資，同時(shí)期望大量減少美國(guó)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?yàn)榛炷?0%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(lái)制備混凝土，以減少水泥的使用。由于這一變化，生產(chǎn)出來(lái)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(shí)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(kāi)發(fā)混合水泥外，研究人員還專(zhuān)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(gè)過(guò)程就是碳化固化（Carbonization curing），又稱(chēng)二氧化碳固化。碳化固化是一個(gè)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(shí)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(guò)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(kāi)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(chǔ)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(chǔ)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。可彎曲混凝土已經(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(wèn)題，但障礙仍然存在。在2021年2月8日發(fā)表的一項(xiàng)研究中，科學(xué)家們預(yù)計(jì)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(gè)估計(jì)并沒(méi)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(guò)程的不確定性和可變性。

通過(guò)考慮這些因素，科學(xué)家計(jì)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(lái)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(jì)發(fā)現(xiàn)56-68%的新型混凝土其實(shí)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)的二氧化碳固化方案。試驗(yàn)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(duì)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(guò)程的條件和時(shí)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(guò)程中最大的碳排放源其實(shí)是電的使用，但是可以通過(guò)簡(jiǎn)化過(guò)程以及利用廢熱來(lái)減少電的使用。高級(jí)混凝土混合料，特別是可彎曲混凝土，可以通過(guò)增加耐久性來(lái)解決這些問(wèn)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(lái)

2020年，許多國(guó)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(gòu)政策。在美國(guó)，很多地方政府正在邁出第一步?！暗吞蓟炷痢钡囊?guī)定和減少混凝土中水泥用量的項(xiàng)目在美國(guó)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(diǎn)。

在紐約和新澤西，立法者提出了州級(jí)政策，在投標(biāo)過(guò)程中對(duì)混凝土碳排放最低的提案提供價(jià)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(guó)拜登政府有望開(kāi)始解決美國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施問(wèn)題，以及氣候變化問(wèn)題，并通過(guò)一項(xiàng)戰(zhàn)略性的基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目創(chuàng)造就業(yè)機(jī)會(huì)。

美國(guó)交通部長(zhǎng)皮特·布蒂吉格(Pete Buttigieg)最近宣布，“在推進(jìn)美國(guó)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(huì)。”將低碳混凝土提升為解決世界性氣候問(wèn)題的政策方案也會(huì)隨之而來(lái)，也許全世界都將受益。

可彎曲混凝土