盡管混凝土作為一種現代建筑材料具有許多優(yōu)點，包括高強度、低成本和易于制造，但其生產過程的排放，目前占全球二氧化碳排放量的約8%。
2015-2030年凈零情景下水泥生產的直接排放強度(數據來源：IEA)
根據IEA的研究報告，2015-2021年間，水泥生產的直接CO2強度每年增加約1.5%。相比之下，每年下降3%?到2030年是實現2050年凈零排放情景的必要條件。需要在兩個關鍵領域更加關注：降低熟料與水泥的比例（包括通過更多地吸收混合水泥）和部署創(chuàng)新技術，如碳捕獲和儲存以及由替代原材料制成的熟料。政府可以通過資助研發(fā)和示范、創(chuàng)造對近零排放水泥的需求以及采取強制性的二氧化碳減排政策來刺激這些領域的投資和創(chuàng)新。
麻省理工學院的一個團隊最近的新研究表明，在現有的混凝土制造工藝中引入新材料，可以顯著減少碳足跡，而不改變混凝土的體積力學性能。
研究結果發(fā)表在《PNAS Nexus》雜志上，由麻省理工學院土木與環(huán)境工程教授阿德米爾·馬西克（Admir Masic）和弗朗茨-約瑟夫·烏爾姆（Franz-Josef Ulm），麻省理工學院博士后達米安·斯特凡尼克（Damian Stefaniuk）和博士生馬爾辛·哈杜澤克（Marcin Hajduczek），以及哈佛大學Wyss研究所的詹姆斯·韋弗（James Weaver）共同撰寫。
混凝土是世界上僅次于水的第二大消耗材料，是現代基礎設施的基石。然而，在其制造過程中，大量的二氧化碳被釋放出來，既是水泥生產的化學副產品，也作為這些反應所需的能量。
與混凝土生產相關的排放中，大約有一半來自石油和天然氣等化石燃料的燃燒，這些燃料被用來加熱石灰石和粘土的混合物，最終成為我們熟悉的灰色粉末，即普通硅酸鹽水泥（OPC）。雖然，加熱過程所需的能源，最終可以被可再生的太陽能(6.860, -0.03, -0.44%)或風能所產生的電力所取代，但另一半的排放是材料本身固有的：當礦物混合物被加熱到1400攝氏度（2552華氏度）以上時，它會發(fā)生化學轉變，從碳酸鈣和粘土變成熟料（主要由硅酸鈣組成）和二氧化碳的混合物，后者會逸出到空氣中。
當OPC在混凝土生產過程中與水、沙子和礫石材料混合時，它會變得高度堿性，為以碳酸鹽材料形式固定和長期儲存二氧化碳創(chuàng)造了一個看似理想的環(huán)境（這一過程被稱為碳酸化）。盡管混凝土有可能從大氣中自然吸收二氧化碳，但當這些反應通常發(fā)生時，主要發(fā)生在固化混凝土內，它們既會削弱材料，又會降低內部堿度，從而加速鋼筋的腐蝕。這些過程最終會破壞建筑物的承重能力，并對其長期力學性能產生負面影響。因此，這些緩慢的后期碳酸化反應，可以在幾十年的時間范圍內發(fā)生，長期以來一直被認為是加速混凝土劣化的不良途徑。
阿德米爾·馬西克教授說：“這些固化后碳酸化反應的問題是，你會破壞了水泥基質的結構和化學性質，而水泥基質在防止鋼腐蝕方面非常有效，從而導致降解?！?/p>
相比之下，研究團隊發(fā)現的新的二氧化碳封存途徑，依賴于混凝土攪拌和澆注過程中碳酸鹽的早期形成，在材料凝固之前，這可能在很大程度上消除了材料固化后二氧化碳吸收的有害影響。
這種新工藝的關鍵在于添加了一種簡單、廉價的成分：碳酸氫鈉，也就是小蘇打。在使用碳酸氫鈉替代的實驗室測試中，研究小組證明，在這些早期階段，與水泥生產相關的二氧化碳總量中高達15%可以礦化，這足以顯著降低這種材料的全球碳足跡。
有和沒有碳酸氫鹽取代的樣品的早期水合反應（固化前I-III和固化后IV）的示意圖（圖片來源：PNAS nexus，Volume 2 ，Issue 3，March 2023）
“這一切都非常令人興奮，”阿德米爾·馬西克教授說，“因為我們的研究通過在生產和澆鑄過程中結合二氧化碳礦化的額外好處，推進了多功能混凝土的概念?！?/p>
此外，通過形成之前未描述的復合相，所得到的混凝土凝固得更快，而不會影響其機械性能。因此，這一過程可以提高建筑行業(yè)的生產力：可以更早地拆除模板工程，減少完成橋梁或建筑物所需的時間。
這種復合材料是碳酸鈣和水合硅鈣的混合物，阿德米爾·馬西克教授說：“是一種全新的材料。此外，通過它的形成，我們可以將早期混凝土的力學性能提高一倍。”然而，他也補充說，這項研究仍在進行中?！半m然，目前還不清楚這些新階段的形成將如何影響混凝土的長期性能，但這些新發(fā)現表明，碳中性建筑材料的發(fā)展前景樂觀。”
雖然，早期混凝土碳酸化的想法并不新鮮，目前也有幾家現有公司正在探索這種方法，以促進混凝土澆鑄成所需形狀后的二氧化碳吸收，但麻省理工學院團隊目前的發(fā)現突出了這樣一個事實，即混凝土的預固化能力在很大程度上被低估了，而且沒有得到充分利用。
阿德米爾·馬西克教授表示：“我們的新發(fā)現，可以進一步與其他最近在開發(fā)低碳足跡混凝土外加劑方面的創(chuàng)新相結合，為建筑環(huán)境提供更環(huán)保，甚至是負碳的建筑材料，將混凝土從一個問題變成解決方案的一部分。”
