作为混凝土粘结成分的水泥生产,在2018年占全球碳排放的7%。
研究人员正在探索重新设计混凝土的方法,以减轻其对气候变化的影响。
科学家已开发出一种可锁存二氧化碳的可弯曲混凝土。
气候变化的一大成因就在您脚下,改造这一环节可能成为阻止温室气体进入大气的有力解决方案。
作为混凝土粘结成分的水泥生产,占全球二氧化碳排放总量的7%(2018年)。混凝土是地球上使用最广泛的资源之一,估计全球每年生产的混凝土约为260亿吨。这一生产规模在未来至少二十年内预计不会放缓。
鉴于该行业的规模及其温室气体排放,能够重塑混凝土的技术可能对气候变化产生深远影响。
作为工程师 致力于 相关问题 涉及基础设施与建筑领域,我们一直在设计新一代混凝土技术,以减少基础设施的碳足迹并提高耐久性。其中包括注入二氧化碳的混凝土,它能够锁存温室气体,并且可以更坚固,甚至具有可弯曲性。
该行业正迎来剧烈变革的契机,尤其是在拜登政府承诺大力投资基础设施项目并削减美国的排放的同时。然而,要在大范围内以大幅减排的方式利用二氧化碳制造混凝土,必须将其全部相关排放纳入考量。
重新思考混凝土
混凝土由骨料(主要是岩石和沙子)以及水泥和水组成。
由于约混凝土碳足迹的80%来自水泥,研究人员一直致力于寻找替代材料。
工业副产品(如铁矿渣和粉煤灰)目前已被广泛用于减少所需水泥用量。由此生产的混凝土可因此显著降低排放。此外,煅烧石灰石黏土等替代性胶凝材料也能减少水泥用量。一项研究发现,使用石灰石和煅烧黏土可将排放降低至少20%,同时还能降低生产成本。
除开发混合水泥外,研究人员和企业还在探索将捕获的二氧化碳作为混凝土本身的原料之一,将其锁存于混凝土中,防止其进入大气。二氧化碳可以以骨料的形式加入,也可以在搅拌过程中注入。碳化养护(也称为二氧化碳养护)也可在混凝土浇筑后使用。
这些工艺将二氧化碳由气体转化为矿物,生成固态碳酸盐,这也可能提高混凝土的强度。这意味着结构可能需要更少的水泥,从而减少相关排放。诸如CarbonCure和Solidia等公司已开发出技术,可将这些工艺应用于施工现场现浇混凝土以及预制混凝土,如砌块和其他建筑材料。
在密歇根大学,我们正在研发复合材料,用以生产一种可弯曲混凝土材料,该材料可制造更薄、更不易脆裂的结构,且所需钢筋更少,从而进一步降低相关碳排放。通过使用易于与二氧化碳发生反应并转化为矿物的较小颗粒,可对该材料进行设计,以最大限度地提高其储存二氧化碳的量。
基于二氧化碳的可弯曲混凝土可用于一般建筑、水利和能源基础设施以及交通基础设施。日本大阪的61层北浜大厦使用了可弯曲混凝土,美国密歇根州伊普西兰蒂的道路桥面板也采用了该材料。
全生命周期排放的挑战
这些前沿技术可开始应对混凝土基础设施的碳足迹问题,但仍存在障碍。
在2月8日发表的一项研究中,我们三人研究了向混凝土中注入二氧化碳的全生命周期排放,发现估算结果并未始终涵盖二氧化碳捕获、运输和使用所产生的排放。我们与同事共同提出了确保碳养护具有显著减排效益的策略。
总体而言,我们建议制定标准化的二氧化碳养护规程。实验室实验表明,二氧化碳养护可以提高混凝土的强度和耐久性,但结果因具体养护程序和混凝土配比而异。研究可以改善养护条件并优化养护过程各步骤的时机,以提升混凝土性能。养护过程中用电量是最大的排放来源,也可通过简化工序以及可能利用余热来降低用电量。
先进的混凝土配比,尤其是可弯曲混凝土,已通过提高耐久性开始着手解决这些问题。
基础设施与气候政策的融合
2020年,众多企业宣布了减排举措。然而,要推动建筑行业转型,仍需政府的投资和采购政策予以支持。
地方政府已迈出第一步。“低隐含碳混凝土”相关规定以及减少混凝土中水泥用量的项目已在全国各地涌现,包括加利福尼亚州马林县;纽约州黑斯廷斯-哈德逊;以及俄勒冈州波特兰市的一项人行道试点项目。
在纽约州和新泽西州,立法者已提出州级政策,在招标过程中为混凝土排放最低的提案提供价格折扣。这些政策可为减少混凝土生产及其他建材的碳排放提供借鉴。
在全国范围内,联邦管理基础设施的破败已成为一场日益严重的危机。拜登政府可以着手解决这些问题以及气候变化问题,并通过战略性基础设施计划创造就业机会。
交通部长皮特·布蒂吉格最近宣称,在推进美国基础设施建设方面,存在“巨大机遇”,可在创造就业、促进公平和实现气候目标方面发挥作用。随后可推出将低碳混凝土提升为全国性气候解决方案的政策。
