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绿色混凝土

绿色混凝土能解决气候变化吗？

绿色混凝土或许能减少全球最大的碳排放来源之一。混凝土是地球上使用最广泛的固体材料，但生产其关键原料水泥，会造成约占全球8%的二氧化碳排放。那么，人类如何在继续建设的同时，不加剧气候变化？从回收混凝土、碳固化，到更清洁的燃料、SCM和碱激发材料，我们来看看绿色混凝土如何能为更清洁的未来打下基础。

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影响速度成本成熟度自然影响

3.2总体

解决方案评分

  • 影响4 / 5仅水泥生产就造成了全球约8%的排放。
  • 速度3 / 5生产厂升级后，就能采用新配方。
  • 成本3 / 5一开始很贵，但规模化后成本可与普通混凝土相当。
  • 成熟度3 / 5混合水泥很常见，无水泥黏合剂仍处于早期阶段。
  • 自然影响3 / 5采石和废料更少，但混凝土仍很耗资源。

指南

这是这部影片的图文版旁白稿。本指南目前仅提供英文版 - 你的语言版本即将推出。

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测验

第 1 题，共 10 题

如果混凝土生产是一个国家，它的CO2排放会排第几？

得分 0 / 10

旁白稿

从巨石阵、金字塔、长城，到沙堡，人类一直都爱造东西。虽然可选的建筑材料很多，但没有哪一种比混凝土更受欢迎。

多亏了它独特的优势，它是世界上使用最广泛的固体材料[1,2,3]。事实上，混凝土 - 连同其他人造材料 - 如今的总重量已经超过地球上所有动植物的总和[4,5,6]。

可惜，生产混凝土会排放有害的温室气体，占全球碳排放的8%[7,8]。如果混凝土是一个国家，它会是地球上第三大污染者[9,10]。

所以，如果人类想建设一个更清洁的世界，就需要解决方案；而绿色混凝土正是关键。

1万多年前，中东地区就用原始的混凝土来铺地面[11,12,13]，但真正掌握它的是古罗马人，他们用它建造了万神殿，直到今天，它仍是世界上最大的无钢筋混凝土穹顶[14,15,16]。

可惜，混凝土的秘密消失在了时间的尘埃中[11-16]。直到1824年，英国砖匠约瑟夫·阿斯普丁在自家厨房里捣鼓时，重新发现了如何制作水泥 - 混凝土的关键成分[12,17,18]，也为能媲美古罗马混凝土的新混凝土铺平了道路。

如今，人类每年生产300亿公吨这玩意儿[19]。这足够每年用6英寸厚的混凝土铺满整个奥地利！[20,21,22]。而随着需求增长，排放也在增加。但混凝土到底是怎么产生CO2的呢？

其实，混凝土本质上是一种人造岩石。就像沙堡一样，它由沙子、碎石和水组成。但加入水泥 - 这种把一切粘在一起的神奇材料[23-27] - 混合物就会变得像岩石一样坚硬。

可惜，水泥也造成了几乎所有的排放[26-29]。要明白为什么，我们得看看它是怎么做出来的。

配方简单得惊人，但过程却挺复杂：

首先，取一大份石灰石，它通常由数百万年前海洋生物的贝壳和化石构成。它含有制造水泥所需的钙，也储存着被困住的碳[30-33]。

要获得钙，你得把它碾碎，再加一点黏土和一撮沙子。接着，这种混合物会被预热，再送进回转窑，在炽热的1450 °C下混合，直到石灰石燃烧起来。这样会形成一种富含钙的材料，叫作熟料[23-27,34-37]。

但燃烧这些海洋生物化石会释放大量CO2，而为了产生高温还要燃烧化石燃料，于是又会产生更多CO2[38-42]。

还跟得上吗？我们现在到这里啦！

接下来，把熟料和石膏及其他添加剂混合，再一起放进粉磨机里研磨，制成水泥粉[34,35]。

最后，只要把水泥和水、沙子、碎石及其他骨料混在一起[23-27]，瞧！混凝土就做好了！

还有一大堆污染。正如你看到的，大部分排放都来自水泥生产，其中最大的一块来自燃烧那些石灰石！[38-43]

事实上，混合料中每1000千克水泥，就会产生900千克CO2[43,44,45]。

那人类要怎样减少这种最爱的人造岩石带来的排放呢？其实，有好几种解决方案[43-50]。

短期内，最简单的办法就是更高效地使用混凝土[43-48,50]。目前，大多数建筑用的混凝土都远超实际需要，所以许多建筑师正在优化设计，减少混凝土用量，降低需求和排放。

把旧混凝土碾碎后用于新的混凝土混合料，也能提高效率[51,52,53]，而像电力驱动的回收这样的新技术也正在测试中[54]。它利用可再生电力驱动电弧炉，同时回收混凝土和钢材，既减少炼钢排放，又能在过程中制造水泥。更棒的是，这种水泥理论上是零碳的[54]。

虽然这是个巨大进步，但人类对混凝土的胃口太大了，回收混凝土根本不可能满足需求。

下一个策略，是替代生产所需的化石燃料。粉磨机可以由风能和太阳能提供的清洁可再生电力驱动[55,56]。但只靠电力很难达到窑炉那种热烘烘的高温，所以可以使用绿氢[57-61]或可持续生物质[61-64]等替代燃料。摆脱煤炭等化石燃料后，这些替代燃料能大幅减少CO2排放[50]。

但可惜，还有几个问题…

生物质主要来自木材，需要砍树才能获得，因此很难可持续生产[65,66,67]。而绿氢虽然很有前景，要生产足够多的绿氢，就得大幅增加制造它所需的可再生电力供应[68,69,70]。

所以目前，这些解决方案离产生重大影响还差得远。而且，即使窑炉用这些燃料驱动，你仍然得燃烧石灰石，而它要为水泥生产中超过一半的排放负责[38-43]。

显然，人类还需要别的方法。

碳捕集常被誉为解决办法[71-78]。它能在CO2释放时将其捕获并封存在地下，可以减少排放，但无法全部捕获[50,79,80]。更糟的是，捕集、运输和封存这么多碳既困难又超级昂贵，而且效果也不总是那么好！[43,77,78,81]

但如果其中一些CO2能直接用在混凝土生产里呢？

碳固化登场：

这种流行方法会在搅拌时，把部分捕获的CO2泵回混凝土中，让它以化学方式嵌入其中，可能让混凝土更坚固、成本更低[82-91]。这主意很巧妙，但它只能处理水泥生产排放中的一小部分[92]。

所以，要真正实现绿色混凝土，人类正在改配方，而其中最好的办法之一，就是加入叫作SCMs的材料，替代一部分高污染水泥[45-49,93-97]。

它们由粉末状材料制成，比如燃煤电厂的粉煤灰，或钢铁行业的矿渣。因为两者都是废弃物，这也有助于清理环境，而且SCMs能减少所需水泥的用量，因此可将排放降低15%到40%[48,97]。更棒的是，它们还能提升混凝土的强度和耐久性[98,99,100]。

可惜，单靠它们永远无法完全替代水泥，但有个解决方案…一种碱性溶液！

如果把用于SCMs的工业废弃物等物质，与碱性溶液混合，就能制造出可完全替代水泥的黏结剂[101-104]。而且，因为不用开采、破碎、研磨或燃烧传统水泥的原料，制成的混凝土最多可减排90%[49,104-107]。

它叫碱激发混凝土，虽然还没有大规模应用[108,109,110]，但世界各地已经在使用它了[111-123]。

人类比以往更爱造东西，每3天就建造出一个曼哈顿大小的面积，但他们能做到不让地球升温吗？[124]

当然可以！

通过投资研发、部署所有可用的解决方案，并扩大可再生电力发电来支持它们，人类终于能完善绿色混凝土的配方，建造一个零碳未来！

专家顾问

我们要感谢

Prof. Susan Bernal

利兹大学

土木工程学院

Caitlin Swalec

全球能源监测

项目总监：重工业

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延伸阅读

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概述

混凝土规模

历史

制造与排放

混凝土脱碳

回收

可再生燃料

碳捕集、利用与封存

矿物掺合料

碱激发（地聚合物）混凝土

详细概述

参考资料

这里的所有链接内容都是英文。

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  2. [2] 作为工程材料的水泥和混凝土：历史评述与案例研究分析 | Engineering Failure Analysis
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  5. [5] 地球上的生物量分布 | PNAS（见参考注释*）
  6. [6] 森林管理和放牧对全球植被生物量出人意料的巨大影响 | Nature（见参考注释*）
  7. [7] 混凝土需要大幅减少其巨大的碳足迹 | Nature
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  12. [12] 历史混凝土创新的意外影响 | International Journal of Heritage Architecture
  13. [13] 砂浆和混凝土：现代材料的前身 | International Journal of Architectural Heritage
  14. [14] 罗马混凝土 - 古代工程技术 | UW-Madison
  15. [15] 热拌：揭秘古罗马混凝土耐久性的机制 | Science Advances（新闻稿：谜题解开：罗马混凝土为何如此耐用？ | MIT News；新研究揭开罗马混凝土的秘密 | The Past）
  16. [16] 罗马海洋混凝土中由低温水-岩反应形成的钠沸石和铝托勃莫来石矿物胶结物 | American Mineralogist（新闻稿：海水如何增强古代罗马混凝土 | UNews）
  17. [17] 约瑟夫·阿斯普丁 | 英国泥瓦匠 | Britannica
  18. [18] 约瑟夫·阿斯普丁（1778-1855） | 他们曾生活在利兹 | Thoresby Society
  19. [19] 迈向可持续混凝土 | Nature Materials
  20. [20] Wright Mix | 混凝土搅拌机尺寸（见参考注释*）
  21. [21] 地球上的混凝土很快将比生物量更多 | Heatmap News（见参考注释*）
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  32. [32] 名为石灰石的岩石 | Nordkalk
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  76. [76] Brevik CCS - 水泥行业全球首座CO₂捕集设施 | Brevik CCS | Heidelberg Materials
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  78. [78] 水泥行业的碳捕集：减少排放 | Verde AgriTech
  79. [79] CO2储存地点的泄漏风险评估：综述 | Earth-Science Reviews
  80. [80] Unabated：碳捕集与封存这颗860亿吨碳炸弹，意在阻挠淘汰化石燃料 | Climate Analytics
  81. [81] 碳捕集是否太贵？- 分析 | IEA
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  83. [83] 用二氧化碳养护混凝土 | International Research Journal of Engineering and Technology（见参考注释*）
  84. [84] 将碳封存纳入预制混凝土养护过程 | Canadian Journal of Civil Engineering（见参考注释*）
  85. [85] 通过混凝土砌块碳化储碳 | Journal of Clean Energy Technologies（见参考注释*）
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  87. [87] 碳化养护混凝土的性能 | Materials（见参考注释*）
  88. [88] 使用CarbonCure混凝土进行碳利用：可测量、可验证的解决方案 | CarbonCure Technologies（另见CarbonCure Ready Mix Technology - 优化混凝土配比 | CarbonCure Technologies）（见参考注释*）
  89. [89] 引领净零排放转型的水泥和混凝土公司 | Center for American Progress（见参考注释*）
  90. [90] 碳酸钙水泥：一种碳捕集、利用与封存（CCUS）技术 | Materials（见参考注释*）
  91. [91] 使用二氧化碳养护时混凝土的力学性能 | IJEAT（见参考注释*）
  92. [92] 在混凝土养护或搅拌中利用二氧化碳，可能无法带来净气候效益 | Nature Communications（见参考注释*）
  93. [93] 补充胶凝材料 | NAHB
  94. [94] 矿物掺合料 - 概述 | ScienceDirect Topics
  95. [95] SCM基础知识 | EcoSmart Concrete
  96. [96] 将废弃物转化为可持续建筑材料：近期进展与前景综述 | Materials Today Sustainability
  97. [97] SCM：环境和质量效益 | International Cement Review
  98. [98] 含SCM的环保混凝土的长期强度和耐久性表现 | Innovative Infrastructure Solutions
  99. [99] 含传统和新型SCM的可持续混凝土的力学与耐久性能 | Developments in the Built Environment
  100. [100] 不同SCM对水泥复合材料耐久性和力学性能的影响 | Heliyon
  101. [101] 碱激发材料 | Global Cement & Concrete Association
  102. [102] 地聚合物：工程应用中传统材料的绿色替代方案 | Infrastructures
  103. [103] 作为波特兰水泥替代品的地聚合物：概述 | Construction and Building Materials
  104. [104] 用于清洁和可持续建筑的地聚合物混凝土 - 配合比设计方法的最新综述 | Structures
  105. [105] 碱激发材料与OPC水泥混凝土二氧化碳排放的比较与评估 | Journal of Traffic and Transportation Engineering
  106. [106] 环境驱动的地聚合物水泥应用 | Geopolymer Institute
  107. [107] 地聚合物水泥 - 综述 | Geopolymer Institute
  108. [108] 鹿特丹港务局试用无水泥混凝土用于海洋环境 | Port of Rotterdam
  109. [109] 地聚合物混凝土试验展示协作创新 | Transport for NSW
  110. [110] Suvo Strategic Minerals成功完成地聚合物混凝土试浇 | The Assay
  111. [111] 地聚合物混凝土在澳大利亚的商业化 | IBCC（见参考注释*）
  112. [112] 面向极端环境的美国地聚合物解决方案 - Alchemy Geopolymer Solutions | AGS（见参考注释*）
  113. [113] 利用回收废料开发绿色自密实地聚合物混凝土并践行循环经济原则 | Indian Institute of Technology Madras（见参考注释*）
  114. [114] 零水泥混凝土 | UK GBC（见参考注释*）
  115. [115] 中国高岭土制地聚合物：概述 | Applied Clay Science（见参考注释*）
  116. [116] 用于生产环保建筑材料的地聚合物混凝土系统 | TUDelft（见参考注释*）
  117. [117] Wagners的无水泥混凝土日益受欢迎 | Financial Review（见参考注释*）
  118. [118] 马来西亚粉煤灰基地聚合物水泥和混凝土：加工与应用 | AbeBooks（见参考注释*）
  119. [119] 巴西地聚合物研究：元分析与展望 | IJEAT（见参考注释*）
  120. [120] 可溶性硅酸盐 | GeoMITS（见参考注释*）
  121. [121] 韩国混凝土-聚合物复合材料的最新发展与应用 | De Gruyter（见参考注释*）
  122. [122] 地聚合物混凝土打印 | Singapore Centre for 3D Printing | NTU Singapore（见参考注释*）
  123. [123] GEOPOLYMER_101 | Renca Geopolymer（见参考注释*）
  124. [124] 1985年至2015年全球城市变化的高时空分辨率制图 | Nature Sustainability（见参考注释*）

参考注释

4,5,6

全球人造材料超过所有生物量

《自然》[4]发表的这项比较按干质量计算，而不是湿重。生物量估算不包括水分，而水分在生物体中占很大比重。

人造材料指无生命人为材料的累计干质量（如混凝土、骨料、金属、塑料等）。研究结果显示，到2020年前后，人类制造物质的干质量总量超过了全球生物量的干质量总量。

20,21,22

混凝土年产量与奥地利面积的比较计算

一立方米混凝土平均重2.4公吨 [20]。因此，300亿公吨 = 125亿立方米。该数值得到[21]支持。

换算成立方千米，125亿立方米相当于12.5 km3。

奥地利的面积为83,879 km² [22]。

要算出混凝土的厚度，用体积除以表面积：12.5 km3 / 83,879 km2 = 0.0001490242 km。

0.0001490242 km = 14.90242 cm = 5.8671英寸

23,38-42

水泥生产中的石灰石煅烧

旁白稿中，“燃烧石灰石”是一种非正式的简写说法。严格来说，石灰石本身并不是通过燃烧被烧掉的。受热时，碳酸钙会发生煅烧：一种由热驱动、称为热分解的化学反应，将其分解为氧化钙（即石灰）和二氧化碳：

CaCO₃ + 热量 → CaO + CO₂

煅烧大多发生在材料达到约1,450 °C的窑炉峰值温度之前。在更高温度下，生成的石灰会与二氧化硅及其他材料反应，形成熟料。

煅烧释放的CO₂来自石灰石本身，因此不同于燃烧化石燃料为窑炉供热时产生的CO₂。用低碳热源替代这些燃料可以减少窑炉的燃烧排放，但仅靠这一点并不能消除煅烧过程中释放的工艺过程排放 [23,27,38,40,42]。

82-91

碳固化、碳化、矿化和碳嵌入 - 释义

“碳固化”专指一种方法：将碳捕集得到的 CO₂ 在搅拌或养护过程中注入新拌混凝土，使其与水泥中的钙化合物反应，形成稳定的碳酸盐。这样既能略微提高强度，也能将少量 CO₂ 永久封存在材料基体中。不过，碳固化只是混凝土中碳利用的一种形式。

相比之下，“碳化”是指 CO₂ 随时间与混凝土等已硬化、水化的水泥基化合物发生反应。自然碳化在混凝土结构的使用寿命中缓慢发生，使其逐渐从周围环境中吸收 CO2。加速碳化工艺（有时称为矿化养护）会让混凝土或再生骨料接触高浓度 CO₂ 气流，以有意提高 CO₂ 吸收量。这些工艺在化学上相关，但在操作上不同于拌合物中的碳固化技术。

除了基于养护的方法外，还可以通过材料上不同的策略实现碳嵌入。一种做法是在混凝土混合物中加入含碳的生物基材料（如生物炭）A,B。生物炭-混凝土复合材料可在物理上储存天然生物源碳，同时可能提升耐久性和调湿性能。这些方法不同于碳化，因为它们嵌入的是固态碳，而不是注入或矿化气态 CO₂。

进一步的做法包括开发生物基水泥复合材料，或用可再生纤维或植物来源材料部分替代矿物骨料C-I。在这一范围的另一端，有些建筑系统会完全用面向结构或半结构用途的生物基或混合复合材料，替代传统混凝土E-I。这些方法不同于碳固化，因为它们是减少或替代矿物水泥投入，而不是处理排放出的 CO₂。

总之，碳固化是更广泛策略中的一条特定碳利用路径。碳化/矿化技术、生物炭掺入、生物基复合材料和替代性生物基建筑系统，代表了技术上不同的方法：它们要么储存碳，要么减少水泥需求，要么完全替代矿物黏结剂。

92

碳固化混凝土的强度

研究结果不一。根据所用的混凝土配方和工艺，CO₂养护或混入可提高混凝土强度、几乎没有影响，或降低强度[82-92]。它对气候的好处也不是自动产生的。这取决于多个因素，包括碳捕集、运输和养护所需的能源，有多少CO₂能持续封存，工艺会提高还是降低混凝土强度，以及是否因此需要额外的水泥。[92]在评估的99组实验数据中，发现其中31组的抗压强度较低。如果之后需要额外的水泥才能达到同等强度，产生的排放就可能抵消或超过所封存CO₂带来的好处。总体而言，该研究发现，在它评估的许多已发表实验案例中，净排放增加了。

111-123

全球碱激发混凝土的使用

以下是碱激发混凝土（AAC）在世界各地的一些应用案例：

  • [111] 澳大利亚
  • [112] 美国
  • [113] 印度
  • [114] 英国
  • [115] 中国
  • [116] 荷兰
  • [117] 德国
  • [118] 马来西亚
  • [119] 巴西
  • [120] 意大利
  • [121] 韩国
  • [122] 新加坡
  • [123] 日本、乌克兰、芬兰、俄罗斯和爱尔兰是该来源中的一些例子

这些参考资料既涉及碱激发混凝土，也涉及地聚合物混凝土。在材料科学文献中，碱激发材料（AAM）通常被视为更广泛的类别，而地聚合物则被定义为其中一个特定子类。在这一主流框架下，AAM指通过碱性溶液激发“铝硅酸盐”前驱体（例如粉煤灰、矿渣和其他SCM）制成的胶凝材料。这一大类包含多种化学成分和反应产物不同的体系。

在这一广泛分类中，地聚合物通常被描述为形成三维结构的低钙铝硅酸盐胶凝材料。按这种看法，所有地聚合物都可视为碱激发材料，但并非所有碱激发材料都是地聚合物。这种解释被同行评审期刊和顶尖研究人员广泛采用，其中AAM是包容性的技术术语，而“地聚合物”指的是一个特定的成分和结构子群。

不过，另一种观点认为，地聚合物是一类由特定聚合化学定义的独特材料。按这种解释，并非所有碱激发体系都算地聚合物，尤其是反应产物在结构上不同的富钙体系。这种观点不赞成将AAM作为主要统称，而是把“地聚合物”视为化学上更精确的类别。

因此，术语会因作者所属机构、研究传统或机构背景而有所不同。在大多数当代学术和工程文献中，AAM作为统称的分类占主导地位，尤其是在评估其相对普通波特兰水泥环境表现的比较研究中。尽管如此，新近出版物仍更明确地区分这两个术语。

124

每3天建造一个曼哈顿的面积

[124]表明，1985年至2015年间，全球城市面积每年扩大9,687 km2。这相当于每天（9687/365 =）26.539 km2。

曼哈顿的面积为59.1km2 J。

59.1/26.539 = 2.2天。

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