零碳科技：新型添加剂将混凝土变成有效的碳汇

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尽管混凝土作为一种现代建筑材料具有许多优点，包括高强度、低成本和易于制造，但其生产过程的排放，目前占全球二氧化碳排放量的约8%。

2015-2030年净零情景下水泥生产的直接排放强度(数据来源：IEA)

根据IEA的研究报告，2015-2021年间，水泥生产的直接CO2强度每年增加约1.5%。相比之下，每年下降3% 到2030年是实现2050年净零排放情景的必要条件。需要在两个关键领域更加关注：降低熟料与水泥的比例（包括通过更多地吸收混合水泥）和部署创新技术，如碳捕获和储存以及由替代原材料制成的熟料。政府可以通过资助研发和示范、创造对近零排放水泥的需求以及采取强制性的二氧化碳减排政策来刺激这些领域的投资和创新。

麻省理工学院的一个团队最近的新研究表明，在现有的混凝土制造工艺中引入新材料，可以显著减少碳足迹，而不改变混凝土的体积力学性能。

研究结果发表在《PNAS Nexus》杂志上，由麻省理工学院土木与环境工程教授阿德米尔·马西克（Admir Masic）和弗朗茨-约瑟夫·乌尔姆（Franz-Josef Ulm），麻省理工学院博士后达米安·斯特凡尼克（Damian Stefaniuk）和博士生马尔辛·哈杜泽克（Marcin Hajduczek），以及哈佛大学Wyss研究所的詹姆斯·韦弗（James Weaver）共同撰写。

混凝土是世界上仅次于水的第二大消耗材料，是现代基础设施的基石。然而，在其制造过程中，大量的二氧化碳被释放出来，既是水泥生产的化学副产品，也作为这些反应所需的能量。

与混凝土生产相关的排放中，大约有一半来自石油和天然气等化石燃料的燃烧，这些燃料被用来加热石灰石和粘土的混合物，最终成为我们熟悉的灰色粉末，即普通硅酸盐水泥（OPC）。虽然，加热过程所需的能源，最终可以被可再生的太阳能(6.810, -0.03, -0.44%)或风能所产生的电力所取代，但另一半的排放是材料本身固有的：当矿物混合物被加热到1400摄氏度（2552华氏度）以上时，它会发生化学转变，从碳酸钙和粘土变成熟料（主要由硅酸钙组成）和二氧化碳的混合物，后者会逸出到空气中。

当OPC在混凝土生产过程中与水、沙子和砾石材料混合时，它会变得高度碱性，为以碳酸盐材料形式固定和长期储存二氧化碳创造了一个看似理想的环境（这一过程被称为碳酸化）。尽管混凝土有可能从大气中自然吸收二氧化碳，但当这些反应通常发生时，主要发生在固化混凝土内，它们既会削弱材料，又会降低内部碱度，从而加速钢筋的腐蚀。这些过程最终会破坏建筑物的承重能力，并对其长期力学性能产生负面影响。因此，这些缓慢的后期碳酸化反应，可以在几十年的时间范围内发生，长期以来一直被认为是加速混凝土劣化的不良途径。

阿德米尔·马西克教授说：“这些固化后碳酸化反应的问题是，你会破坏了水泥基质的结构和化学性质，而水泥基质在防止钢腐蚀方面非常有效，从而导致降解。”

相比之下，研究团队发现的新的二氧化碳封存途径，依赖于混凝土搅拌和浇注过程中碳酸盐的早期形成，在材料凝固之前，这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响。

这种新工艺的关键在于添加了一种简单、廉价的成分：碳酸氢钠，也就是小苏打。在使用碳酸氢钠替代的实验室测试中，研究小组证明，在这些早期阶段，与水泥生产相关的二氧化碳总量中高达15%可以矿化，这足以显著降低这种材料的全球碳足迹。

有和没有碳酸氢盐取代的样品的早期水合反应（固化前I-III和固化后IV）的示意图（图片来源：PNAS nexus，Volume 2 ，Issue 3，March 2023）

“这一切都非常令人兴奋，”阿德米尔·马西克教授说，“因为我们的研究通过在生产和浇铸过程中结合二氧化碳矿化的额外好处，推进了多功能混凝土的概念。”

此外，通过形成之前未描述的复合相，所得到的混凝土凝固得更快，而不会影响其机械性能。因此，这一过程可以提高建筑行业的生产力：可以更早地拆除模板工程，减少完成桥梁或建筑物所需的时间。

这种复合材料是碳酸钙和水合硅钙的混合物，阿德米尔·马西克教授说：“是一种全新的材料。此外，通过它的形成，我们可以将早期混凝土的力学性能提高一倍。”然而，他也补充说，这项研究仍在进行中。“虽然，目前还不清楚这些新阶段的形成将如何影响混凝土的长期性能，但这些新发现表明，碳中性建筑材料的发展前景乐观。”

虽然，早期混凝土碳酸化的想法并不新鲜，目前也有几家现有公司正在探索这种方法，以促进混凝土浇铸成所需形状后的二氧化碳吸收，但麻省理工学院团队目前的发现突出了这样一个事实，即混凝土的预固化能力在很大程度上被低估了，而且没有得到充分利用。

阿德米尔·马西克教授表示：“我们的新发现，可以进一步与其他最近在开发低碳足迹混凝土外加剂方面的创新相结合，为建筑环境提供更环保，甚至是负碳的建筑材料，将混凝土从一个问题变成解决方案的一部分。”

来源：友绿网

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