混凝土技術的演進與發展：通向“低碳混凝土”之路

多年來，人類對水泥和混凝土的熱愛導致了大量的二氧化碳排放。

上圖：英國薩福克郡伊普斯威奇水泥廠。

沒有人知道是誰最先做的，或者是什麼時候做的。但到了公元前2或3世紀，羅馬的工程師們經常把燒灼過的石灰石和火山灰磨碎，製成鈣質粉：一種與水混合就會開始變硬的粉末。

他們大量使用這種仍然潮溼的泥漿作爲磚石工程的砂漿。但他們也學會了將浮石、鵝卵石或罐子碎片和水一起攪拌的價值：如果比例正確，水泥最終會將它們結合成一種堅固、耐用、岩石狀的集合體，名爲“Opus caementicium”，或者，在後來的拉丁語動詞中衍生出一個詞，意思是“結合在一起” —— 混凝土。

羅馬人在整個帝國都在使用這種神奇的材料 —— 高架橋、防波堤、競技場，甚至像萬神殿這樣的寺廟。萬神殿至今仍矗立在羅馬市中心，號稱擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂。

兩千年後的今天，我們仍在做着同樣的事情，爲道路、橋樑、高樓大廈和其他現代文明的重要組成部分傾倒數十億噸的混凝土。事實上，在全球範圍內，人類每年要使用大約300億噸的混凝土，比除了水之外的任何其他材料都要多。隨着衆多快速發展的國家繼續其長達數十年的建設熱潮，這個數字只會上升。

不幸的是，我們對混凝土的長期偏愛也加劇了我們的氣候問題。如今最常用於粘結混凝土的水泥是一種19世紀的創新，被稱爲“波特蘭水泥/硅酸鹽水泥（Portland cement）”。這種水泥是在能源密集型的窯爐中生產的，每生產一噸產品就會產生超過半噸的二氧化碳。將這個數字乘以全球十億噸的使用量，水泥製造產生的二氧化碳排放量約佔全球二氧化碳總排放量的8%。

當然，這與交通運輸和能源生產所佔的比例相去甚遠，兩者都遠超20%。但隨着應對氣候變化的緊迫性加強了公衆對水泥排放的監督，以及美國和歐洲潛在的政府監管壓力，這個問題已經變得不容忽視。位於挪威奧斯陸的 CICERO 國際氣候研究中心的高級研究員羅比·安德魯（Robbie Andrew）說：“現在人們認識到，我們需要在2050年前將全球淨排放量減少到零。而混凝土行業不想做壞人，所以他們在尋找解決方案。”

總部位於倫敦的全球水泥與混凝土協會，和總部位於伊利諾斯州的波特蘭水泥協會等主要行業組織已經發布了詳細的路線圖，希望到2050年將這一比例降至零。他們的許多戰略依賴於新興技術，更重要的是擴大替代材料和已經存在了幾十年的未充分利用的做法。所有這些都可以通過混凝土生命週期的三種化學反應來理解：煅燒、水化和碳化。

直接的方法：從一開始就消除排放

上圖：爲了製造用於大多數現代混凝土的波特蘭水泥，將磨碎的碳酸鈣岩石（通常是石灰石）與粘土一起送入一個巨大的旋轉窯。來自煤炭或天然氣爐的熱空氣將混合物升高到熔融熔岩的溫度，並烘烤出大量的二氧化碳。留下的是氧化鈣（生石灰），它與粘土中的礦物質融合並冷卻成“熟料”：淺灰色的結節，將被磨碎製成水泥粉。在化石燃料燃燒和烘烤出的二氧化碳之間，波特蘭水泥生產約佔人類二氧化碳排放總量的8%。

富含碳酸鹽的岩石被磨碎，和粘土一起放入窯爐中，粘土與生石灰融合，產生礦物質，最終幫助混凝土抵抗裂縫和風化。最終的結果是“熟料”：淺灰色的結節被磨成水泥粉。

窯爐約40%的二氧化碳排放來自於這個等式中的“熱”項，這是一個很難削減的部分。熟料的生產需要1450攝氏度的峰值溫度，比熔融的熔岩還要高，而窯爐經營者長期以來一直認爲，達到這一溫度的唯一可行方法是燃燒煤炭或天然氣。像木材這樣的生物質不能持續燃燒到足夠高的溫度。而由風能或太陽能等可再生能源供電的標準電加熱器，其熱量來自載流電線的電阻。羅比·安德魯說：“在電線斷掉之前，你不可能得到太多東西。”

然而，該行業現在已經開始探索可再生能源驅動的全電動選擇。例如，今年5月，瑞典綠色科技公司 SaltX Technology 展示了它可以用電弧煅燒機（Electric Arc Calciner）生產熟料：這是一種專利系統，類似於汽車製造商和其他製造商廣泛使用的用於切割金屬的等離子炬。等離子體火炬（Plasma torches）將電流通過惰性氣體射流，通常是氮氣或氬氣，使氣體電離並加熱到20000攝氏度以上。今年6月，SaltX宣佈與瑞典石灰石供應商SMA Mineral建立合作關係，以加速其技術的商業化。

2021年，德國海德堡水泥公司（HeidelbergCement）證明，它可以用燃燒溫度超過2000攝氏度的氫氣取代化石燃料，生產熟料。目前，氫氣主要由天然氣製造。但它也可以通過電解水來製造。因此，隨着清潔能源價格的下降，以及用綠色電力生產大量氫氣變得更加合理，羅比·安德魯認爲，水泥公司對此的興趣正在增長。

但是，波特蘭水泥協會（Portland Cement Association）可持續發展項目負責人理查德·博漢（Richard Bohan）表示，即便如此，在美國和世界各地的水泥生產商轉向氫批發之前，還有很多工作要做。系統還沒準備好。他說：“氫將是很好的選擇，而且可以立即減少我們40%的碳足跡。然而，氫需要基礎設施 —— 要麼是管道，要麼是一個非常強大的電網，而在美國的一些地區我們還沒有。”專家說，如果國會通過加速能源項目的提議，可能會有所幫助。

爲了解決水泥排放的另外60%（即在煅燒反應過程中右側釋放的二氧化碳），水泥行業開始重新使用一些舊的水泥原料替代品。

例如，只需在最終產品中添加一些未烘焙的石灰石粉，一個窯爐的碳足跡就可以減少10%。（單獨使用石灰石是相對惰性的，但與水混合後會幫助波特蘭水泥硬化。）這種波特蘭石灰石水泥在歐洲已經普遍使用，現在在美國也開始流行起來。理查德·博漢說：“我們看到，在美國的一些地區，波特蘭石灰石水泥是主要材料，我們聽到個別工廠說，從現在起，他們只生產這種類型的水泥。”

窯爐運營商也在重新考慮用富含礦物的工業廢品取代部分石灰石水泥。一個常用的例子是鋼鐵廠的高爐爐渣，它含有豐富的鈣，與水混合後會像標準水泥一樣變硬。另一種是來自燃煤電廠的飛灰，它不會自己變硬，但與水和標準水泥混合後會變硬。不管怎樣，這種水泥生產的混凝土至少和標準混凝土一樣堅固耐用，只是稍微有點磨蝕性和固化速度較慢，同時有可能會再減少15%甚至20%的排放。

當然，在這些廢物最初產生的過程中排放了大量的二氧化碳。但是，在水泥中使用它們不會再產生任何新的碳。兩個多世紀的工業化留下了大量的爐渣和灰燼，即使我們最終完全淘汰煤炭。羅比·安德魯：“這是雙贏。如果你有廢料，那麼用它替換你的熟料比生產新的熟料更便宜。”事實上，這種技術已經在巴西和中國等快速增長的國家得到廣泛應用，這些國家在建設工業的過程中產生了堆積如山的爐渣和灰燼。

然而，就其本身而言，剛纔提到的各種取代不能減少化學反應右側釋放的總二氧化碳的約五分之一。因此，爲了實現2050年零排放的目標，行業研究人員一直在研究至少六種替代水泥的配方，這些配方可以減少或消除60%的碳排放 —— 通常是通過消除產生這種碳排放的波特蘭水泥成分：碳酸鈣。

這絕對是一個長期的解決方案，環境科學家傑弗裡·里斯曼（Jeffrey Rissman）說。他在舊金山的氣候政策智庫能源創新（Energy Innovation）研究工業溫室氣體排放。“這些新技術正處於研發和商業化的不同階段，”他說。“因此，它們仍需要更多的技術改進，以幫助它們擴大規模，降低成本。”

不過，有些替代方案的進展要比其他方案遠得多。其中發展最好的是“礦物聚合物（geopolymers）”，這是一種堅硬的材料，當各種硅和鋁的氧化物浸泡在鹼液（氫氧化鈉）等鹼性溶液中時，並通過將自己連接成長鏈和網絡進行反應。需要使用鹼溶液而不是清水，確實使礦物聚合物水泥在施工現場處理起來更加棘手。儘管如此，它們已經成功地應用在許多建設項目中。在過去的十年裡，行業對礦物聚合物的興趣一直在快速增長：礦物聚合物的碳足跡總量比普通硅酸鹽水泥少80%，而且它們的強度也相當高。它們也更耐水、防火、耐風化和耐化學物質 —— 這就是爲什麼自20世紀70年代以來，礦物聚合物已經被商業化生產出來，用於封裝有毒廢物，密封普通混凝土，以及其他各種非水泥應用。

而且，原料也不短缺：硅氧化物和鋁氧化物在爐渣和粉煤灰中含量豐富，在粘土、廢棄玻璃甚至農業副產品中也能找到它們。（燒焦的稻殼含有豐富的二氧化硅，對吸入它們的人來說都是一種呼吸危險。）因此，除了減少碳排放，廣泛使用礦物聚合物水泥可能是處理相當多麻煩的廢物的一種便捷方式。

間接的方法：使具體效率最大化

上圖：在施工現場，水泥粉和砂或礫石“骨料”與水混合（或在水泥攪拌車中預先混合）。然後將生成的泥漿倒入模具中，保持幾天或幾周不受干擾，使水-水泥反應將混合物緩慢硬化成混凝土。這個過程不會產生更多的二氧化碳。但它確實鎖定了骨料，從而增加了混凝土的強度和體積。

水泥、水和骨料被混合成濃漿（或通過水泥攪拌車運送），倒入模具，幾天或幾周不動，讓水和水泥發生反應形成混凝土。這一過程還會鎖定骨料，骨料包括強度和體積，以及鋼筋等任何增強材料。

除了需要用卡車運送材料到現場之外，這裡沒有任何東西會產生更多的二氧化碳。但是，水化方程確實強調了一種間接減少建築水泥使用量、進而減少碳足跡的方法：儘可能少使用混凝土。

根據全球水泥和混凝土協會（Global Cement and concrete Association）氣候路線圖的估計，對混凝土效率的仔細關注，可以實現該行業2050年零排放目標所需減排的近四分之一。但在國際氣候行動組織C40城市領導清潔建築工作的塞西爾·法羅（Cécile Faraud）表示，“通常情況下，‘哦，爲了安全起見，我們還是多澆一點混凝土吧。’”

確實如此，波特蘭水泥公司的理查德·博漢同意這一觀點，理由很充分：“承包商、材料供應商、建築師和工程師自然都非常厭惡風險，”他說，編寫建築規範的機構也是如此。“他們希望建築環境能持續很長一段時間” —— 幾十年，甚至幾百年。而且，正如2021年在佛羅里達州的瑟夫賽德（Surfside）所證明的那樣，當時一棟有40年曆史的高層共管公寓倒塌，導致98名居民死亡，結構失效的後果可能非常嚴重。

不過，理查德·博漢補充說，面對氣候變化，人們的態度已經開始轉變。該行業已經開始意識到，他們可以擁有安全、保障和彈性，並擁有一個可持續的建築環境。他們還必須與越來越多具有氣候意識、正在立法改革的城市合作：例如，2016年，溫哥華的目標是到2030年將混凝土和其他結構材料產生的排放量減少40%。

建築商和工程師們正在嘗試各種方法，在不影響安全的情況下節約混凝土。一是通過精心設計。例如，環境科學家傑弗裡·里斯曼說，高強度的混凝土混合物通常有更高的水泥含量，因此，碳足跡也更大。他說：“你可以把這些混合材料用於支撐柱子等結構元素，而在不需要支撐重物的走道或樓梯上使用強度較低的混合材料。”

上圖：總部位於倫敦的全球水泥和混凝土協會（Global Cement and Concrete Association）制定的這份路線圖，爲該行業在2050年前將碳排放量降至零提出了七條途徑。第一：設計和施工效率：只使用結構安全和功能所需的混凝土。第二：混凝土生產效率：攪拌混凝土時，應注意質量控制。第三：節約水泥和粘合劑：用礦渣和粉煤灰等無排放替代品替代一些窯的石灰石原料。四：節約熟料生產：使用氫氣或等離子射流等非排放源加熱窯。五：碳捕獲、利用和儲存：使用快速發展的技術，將二氧化碳直接從每個窯的廢氣流中提取出來，以供以後處理或再利用。第六：電力脫碳：將工業使用的少量電力轉換爲可再生能源。第七：再碳化：增強混凝土中的自然碳化反應，將二氧化碳直接從空氣中排出。

今年5月，奧地利格拉茨理工大學（Graz University of Technology）的研究人員展示了一種更高科技的方法，可以達到類似的效果。他們發現，通過使用建築規模的3D打印機，他們可以將混凝土建築的碳足跡減少50%。近年來，這些系統吸引了全世界的興趣，因爲它們是用當地材料建造房屋和其他建築的一種快速、經濟的方式。在這些系統中，機器人控制的噴嘴擠壓溼混凝土流，一層一層地建造牆壁和其他元素。格拉茨的研究團隊通過使用這種方法創造了複雜的、充滿空隙的牆壁和天花板，將混凝土精確地放置在需要強度和安全的地方，而不是其他地方，從而節省了成本。該團隊還表明，打印機可以將細鋼絲與溼泥漿一起擠壓，從而加固僅有混凝土不夠堅固的結構部分，而不需要傳統的鋼筋或螺桿鋼。

一種更高科技的方法是，使用含有懸浮石墨烯薄片的水製成的混凝土：石墨烯是一種超強的碳形式，其中的原子彼此結合在一個原子厚的六角形晶格中。2018年，英國埃克塞特大學的一組研究人員宣佈，他們使用這種石墨烯懸浮液生產出了比傳統混凝土強度高146%的混凝土。如果能找到方法以足夠低的價格大量生產石墨烯，使其成爲常規用途（許多團體正在努力降低成本），那麼該團隊的計算表明，用這種混凝土建造一整棟建築只需要傳統建築一半的水泥就能達到同樣的結構強度。這可能會對二氧化碳排放產生重大影響。

甚至還有一種不需要技術的方法：儘可能長時間地使用我們已經建造的結構。畢竟，“你的建築越耐用，新建築所需的混凝土就越少，”維也納中歐大學的環境科學家戴安娜·尤爾格-沃薩茨（Diana Ürge-Vorsatz）說，她是《2020年環境與資源年度回顧》中關於實現建築行業淨零的方法的合著者。

戴安娜·尤爾格-沃薩茨認爲，在像美國這樣的發達國家，這需要稅收政策和其他激勵措施來鼓勵重複使用，而不是無休止地建造光鮮亮麗的新東西。戴安娜·尤爾格-沃薩茨也是國際氣候變化小組的減排工作組的副主席。她說，在中國和印度等快速增長的國家，增加建築的壽命意味着將重點從速度轉向質量。她說：“當你只想快速擴張時，你會用最便宜、最快的方式。在東歐，我們在上世紀60年代和70年代有過一場大規模的建設熱潮，現在很多建築已經搖搖欲墜。”

還有一種非具體的方法：用更可再生的東西完全取代灰色的東西。一種新興的選擇是重型木結構（mass timber）：這是各種木製產品的總稱，這些產品被膠合或以其他方式粘合在巨大的結構元素中，其性能可與混凝土和鋼鐵持平或超過。自上世紀90年代初由奧地利研究人員開發以來，重型木結構在歐洲得到了廣泛應用，並在美國引起了越來越多的關注 —— 尤其是在俄勒岡州和華盛頓州等擁有大片森林和許多閒置鋸木廠的州。世界上最高的木結構建築是一座87米高的公寓零售大樓，於2022年7月在威斯康辛州的密爾沃基完工，但它可能不會保持長久的榮譽：已經有人提出了更高的重型木結構建築 —— 包括一座將在芝加哥海濱高出80層的建築。

最先進的方法：利用碳化反應

上圖：碳化反應是自然界逆轉水泥生產過程的一種方式：一旦混凝土中的鈣化合物暴露在空氣中的二氧化碳中，它們就會自發地再次形成碳酸鈣。儘管這一過程會使鋼筋面臨腐蝕風險，但這確實意味着舊的混凝土結構將重新吸收建築過程中產生的40%的二氧化碳。

高級研究員羅比·安德魯說，實際上，這是水泥製造過程的自發逆轉：一旦混凝土中的鈣化合物暴露在空氣中的二氧化碳中，“它們就會試圖關閉循環，再次形成碳酸鈣。”

羅比·安德魯補充說，在新混凝土表面，這一過程發生得很快，然後隨着二氧化碳分子擴散到固體質量越來越深的地方，尋找未反應的鈣，這一過程就會變慢。但它從未完全停止 —— 這意味着，所有這些散落在地球上的混凝土結構實際上正在從大氣中吸收二氧化碳，並消除它們造成的一些氣候破壞。波特蘭水泥協會（Portland Cement Association）在其路線圖中估計，較老的混凝土結構已經吸收了建造過程中產生的約10%的二氧化碳。但理查德·博漢說，這是一個刻意保守的數字，其他估計則高達43%。

的確，對於建築商來說，碳化常常被視爲一個敵人 —— 尤其是在大型、沉重的結構元素中，如地基、柱子和擋土牆，所有這些都必須用鋼筋加固。在提供鹼性環境的新混凝土中，這種鋼被一層保護性的氧化層包圍着。但在碳化混凝土中，化學物質會轉移並溶解保護層。這使得鋼材容易生鏽和腐蝕，最終導致結構倒塌。

然而，在過去十年中，至少有六家初創公司成立，他們的技術旨在增強碳化反應，從而使混凝土成爲大氣中二氧化碳的重要存儲庫。

這些初創公司中最成熟的一家是位於新斯科省的 CarbonCure，該公司已經爲全球約418家波特蘭水泥廠配備了設備，將從發電廠等地方捕獲的二氧化碳注入新鮮潮溼的混凝土混合物中。注入的二氧化碳立即開始與泥漿發生反應，幾分鐘內就會充滿大量固體碳酸鈣納米晶體。反過來，這些納米晶體將在混凝土固化時增強其強度 —— 這意味着，CarbonCure說，建築商可以在不損失安全邊際的情況下少使用5%左右的波特蘭水泥。此外，該公司表示，其混凝土混合物可以與標準鋼筋一起使用，因爲固體納米晶體不會像大氣中的二氧化碳那樣降解保護氧化層。

在加州的洛斯加託斯，藍色星球系統公司希望通過關注混凝土的骨料而不是水泥部分來實現更大幅度的減排。骨料是一種惰性填料，由沙子或礫石組成，構成了混凝土的大部分體積。該公司的工藝是專有的，但基本的想法是，從任何富含鈣的廢物開始，如拆除現場的礦渣或混凝土碎石，將其浸泡在“捕獲溶液”中，並將其暴露在來自水泥窯、發電廠、鋼鐵廠或任何其他排放源的原始煙氣中。這種溶液有助於鈣離子直接將二氧化碳從煙氣中抽出，並將其結合成碳酸鈣。

最終的結果是，在捕獲的溶液被回收再利用後，形成了含有44%碳酸鈣的固體結節。“藍色星球”正在加利福尼亞的匹茲堡建造它的第一個示範工廠，該公司說，當用作骨料時，這些結核產生的混凝土所含的二氧化碳與製造過程中所含的二氧化碳相當，甚至更多 —— 接近每立方米670公斤。

像這樣的創新是否真的能讓混凝土行業達到不排放淨二氧化碳的水平還有待觀察。然而，行業觀察人士和業內人士都找到了足夠的樂觀空間，即便只是因爲變革的勢頭如此迅速地建立起來。羅比·安德魯說，要記住，就在十年前，似乎還沒有可行的、對氣候友好的波特蘭水泥替代品。這種材料既便宜又熟悉，而且已經有了龐大的基礎設施 —— 數百個採石場，數千個窯爐，成羣結隊的卡車向建築工地運送預混合的混凝土漿。因此，在很長一段時間裡，脫碳水泥生產都屬於“太難”的範疇。

然而今天，由於人們對氣候問題的高度關注，人們現在回過頭來說，“哇，我們沒有意識到所有這些選項都是可用的。”

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