水泥可以成为一种（更加）可持续的材料

“如果水泥行业是一个国家，它将会是世界上第三大二氧化碳排放国，大约有28亿吨，仅次于中国和美国。”露西罗杰斯（Lucy Rodgers）在BBC关于混凝土生态足迹的报告中提到的这段话非常令人震惊。每年会生产超过40亿吨水泥，约占全球二氧化碳排放量的8%，是世界上制造最多的产品——混凝土的一个关键要素。给大家一个概念，世界上每人每年生产约半吨的混凝土，将足以建造11000座帝国大厦。面对这些巨大的数字，有什么办法可以减少这种影响吗？

在制造水泥的过程中，石灰石、粘土和沙子在温度高达1450℃的极热烤箱中加热。这样就形成了熟料，然后与石膏和其他添加剂（如火山灰，石灰石等）混合。水泥约占混凝土混合物的10%。其他基本成分是沙子、砾石（粗集料和细集料）和水。在水泥生产中，有两个主要过程会导致二氧化碳排放。根据Robbie M.Andrew的这篇文章，第一个是生产主要水泥成分熟料所涉及的化学反应，因为碳酸盐（主要是石灰石中的CaCo3）在加热时被分解成氧化物（主要是石灰，CaO）和二氧化碳。第二个排放源是使用化石燃料来生产将原材料加热到超过1000℃所需的大量能源。话句话说，在混凝土生产过程中，会消耗大量燃料（通常来自不可再生资源，如石油焦、汽油或天然气），并排放不同的污染物气体，包括一氧化碳和二氧化碳。根据这项研究，“煅烧化学反应约占熟料生产过程中二氧化碳排放量的52%，而能源消耗则占其余部分。（……）考虑到能源消耗，每生产1000公斤熟料，在生产过程中平均产生约815公斤二氧化碳。”

减少一些影响是可能的。如果大部分排放是在熟料生产过程中发生的，那么用其他材料代替熟料可以带来很大的变化。补充胶结材料（SCMs）通常是其他行业的副产品，如钢铁和铜生产中的矿渣、金属冶炼作业中的铸造砂，以及粉煤灰、底灰和电力公司的合成石膏。通过用这些材料取代部分熟料，混凝土获得了新的特征，这在某些情况下可能是可取的，但主要表现为减少二氧化碳排放的显著能力。另一种可能是火山灰，这种水泥替代品已经有了几千年的历史，它使希腊人和罗马人能够建造出如此坚固的建筑物，一直保持到现在。通过将石灰和火山灰加热到大约900℃，然后与海水混合，可以获得一种及其坚固和稳定的材料。

创新还可以更深入。Carbon Cue公司试图以一种非常不同的方式减少二氧化碳排放。这家加拿大初创公司开发了一种名为“二氧化碳矿化”的工艺，该工艺包括将二氧化碳注入混凝土混合物中，并使其与水泥中的钙离子发生反应，形成纳米级矿物质碳酸钙，嵌入混凝土中，使混凝土更加坚固。

Centro de Interpretação do Românico / spaceworkers. Image © Sergio Pirrone

Solidia Tech 公司一直在实验一种新的水泥配方，用矿物硅灰石代替石灰石，由于不需要加热，所以不会排放二氧化碳。此外，在固化过程中，它可以捕获空气中的二氧化碳，创造出一种负排放的产品。正如这篇文章所示，Solidia 的水泥混凝土砌块每使用1000公斤的水泥，就能捕获约240公斤的二氧化碳。这是在混凝土制造过程中产生的较低排放量之外的二氧化碳负排放。

Capela de Campo Bruder Klaus / Peter Zumthor. Image © Samuel Ludwig

BioMason是一家北卡罗来纳州的初创公司，它采用一种独特的方法，生产没有波特兰水泥和二氧化碳排放的混凝土。使用生物水泥代替波特兰水泥，用于连接沙子和砾石。通过将回收的集料和活杆菌微生物结合，引发碳和钙的结合，在无需加热的情况下形成石灰石晶体。传统的混凝土可能需要长达28天的时间，而 Biomason biocement ® 在生长不到72小时的情况下就达到了最终抵抗力。最终材料由大约85%的再生花岗岩和15%的生物栽培石灰石组成。

英国兰卡斯特大学的工程师与 Cellucomp 有限公司合作，研究添加从植物根部纤维中提取的“纳米颗粒”以改善混凝土混合物的性能和效果。研究表明，由甜菜和胡萝卜等蔬菜制成的植物复合混凝土在结构和环境方面的性能优于所有市售的混凝土添加剂（如石墨烯和碳纳米管），且成本低得多。植物复合混凝土的潜力在于纳米颗粒能够增加混凝土混合物中水合硅酸钙的含量，而水合硅酸钙是控制结构性能的主要物质。这种间接效应意味着施工所需的混凝土量减少。纳米颗粒可以通过减少混凝土中出现的裂缝数量来防止腐蚀、延长材料寿命，从而提高产品质量。还有许多其他公司寻找减少水泥和混凝土生产排放的方案，Akshat Rathi的这篇文章涵盖了其中的大部分，并提供了非常有价值的相关信息。

气候危机迫切的需要解决方案，而建筑行业正逐渐开始接受更多有助于改变的替代材料。水泥和混凝土具有显著的重要性，并且有办法将其负面影响转化为对环境的积极改善。然而文章显示，将混凝土转变成污染较少的材料是一项非常复杂的任务，这涉及到大量的资源和时间进行研究。值得一问的是，未来混凝土是否应该继续作为建筑行业的主要材料，还是可以考虑用其他污染较少的材料代替或者与混凝土混合。