混凝土助力建造了人类一些最令人叹为观止的纪念性建筑，但它也是碳排放的主要来源之一。
一项新研究称，只要用火山岩替代混凝土的主要原料之一，其碳排放就可能大幅削减近三分之二。
火山岩转化为混凝土的过程，与岩石在热液环境中胶结的方式相似，这为研究人员提供了重要线索。
据一项新研究，仅用火山岩替代混凝土的主要原料之一，就可能将该材料生产环节的碳排放大幅削减近三分之二。
混凝土建成了罗马万神殿、悉尼歌剧院、胡佛水坝以及无数方正的巨型建筑。这种人造岩石覆盖着我们的城市与道路，支撑着风力发电场和太阳能电池板阵列，并将在美国及海外由新冠疫情复苏投资支持的基础设施项目中大量浇筑。
然而，这对应对气候变化的努力而言代价高昂，因为水泥——即与砂、砾石和水混合制成混凝土的胶凝材料——是全球变暖的最大工业来源之一。
“混凝土之所以无处不在，是因为它是最廉价的建筑材料之一，易于加工，几乎可以塑造成任何形状，”斯坦福大学地球物理学副教授蒂齐亚纳·瓦诺里奥（Tiziana Vanorio）说。
然而，水泥生产释放的二氧化碳量高达与人类活动相关的年度二氧化碳排放量的8%，而且随着城市化和经济发展推动新建筑与基础设施建设，未来数十年对水泥的需求预计还将上升。
“如果我们要将碳排放降至避免灾难性气候变化所需的水平，就必须改变水泥的生产方式，”瓦诺里奥说。
珊瑚礁、龙虾壳与螳螂虾
混凝土的二氧化碳问题始于石灰石，这是一种主要由碳酸钙构成的岩石。要制造波特兰水泥（现代混凝土中呈糊状的主要成分），需要开采、破碎石灰石，并将其与黏土及少量其他材料一同在巨型窑炉中高温煅烧。产生这些热量通常需要燃烧煤炭或其他化石燃料，而这占混凝土相关碳排放的三分之一以上。
高温引发化学反应，生成弹珠大小的灰色块状物，称为熟料，随后被研磨成我们所熟知的细粉，即水泥。该反应还会释放碳，否则这些碳可能会在石灰石中封存数亿年。这一步骤产生了混凝土生产中剩余二氧化碳排放的大部分。
瓦诺里奥及其同事目前正在试制一种水泥，通过使用火山岩制造熟料，从而消除释放二氧化碳的化学反应。这种岩石含有所需的全部构成成分，却不含碳。
作为全球使用最广泛的建筑材料，混凝土长期以来一直是革新的目标。研究人员和企业从珊瑚礁、龙虾壳以及螳螂虾那种锤子状的钳爪中找到了新配方的灵感。还有一些方案是用燃煤电厂产生的粉煤灰等工业废料部分替代熟料，或将捕获的二氧化碳注入混合料中，以降低混凝土的气候影响。
美国总统乔·拜登已呼吁扩大碳捕获，并在水泥生产中使用氢燃料，以帮助到2030年将美国温室气体排放量较2005年水平减半。
跳过石灰石
瓦诺里奥提议完全摒弃石灰石，转而使用全球许多火山地区都可开采的岩石。“我们可以将这种岩石研磨，然后加热制成熟料，所用的设备和基础设施与目前用石灰石制造熟料的相同，”她说。
将这种低碳熟料与热水混合，不仅能使其转变为水泥，还会促进长而相互缠绕的分子链生长，在显微镜下观察时，这些分子链看起来如同纠缠的纤维。类似结构也存在于热液环境中自然胶结的岩石中——那里滚烫的水在地表以下循环流动——以及古罗马的混凝土港口中。这些港口经受了2000年来腐蚀性海水的侵蚀和汹涌波浪的冲击，而现代混凝土通常在数十年内就会崩解。
正如现代混凝土结构中常用的钢筋可防止开裂一样，这些微小的矿物纤维可以对抗混凝土通常的脆性。
“混凝土不喜欢被拉伸。如果没有某种形式的加固，它在受力时会先断裂，而不是弯曲，”瓦诺里奥说。她是近期几篇论文的通讯作者，研究内容涉及古罗马海洋混凝土中的微观结构，以及岩石物理学在向低碳未来转型中的作用。目前，大多数混凝土都在大规模使用钢材进行加固。
“我们的构想是通过研究纤维状微观结构如何有效增强岩石，以及产生这些结构的自然条件，在纳米尺度上对混凝土进行加固，”她说。
愈合与韧性的启示
瓦诺里奥设想的将火山岩转化为混凝土的过程，与岩石在热液环境中胶结的方式相似。热液条件通常见于火山周围及活跃构造板块边界上方，岩石可在不高于家用烤箱温度的条件下迅速发生反应并重新结合，其中水起到强效溶剂的作用。
如同愈合的皮肤一般，地球最外层的裂缝和断层会随着时间推移，通过矿物与热水之间的反应而重新胶结。“自然一直是创新材料的重要灵感来源，这些材料模仿了生物生命，”瓦诺里奥说。“我们还可以从实现愈合和损伤韧性的地球过程中汲取灵感。”
从砖块、锻造金属到玻璃和塑料，人类长期以来制造材料所依托的，正是驱动地球岩石循环的同一股力量：热量、压力和水。大量考古学和矿物学研究表明，古罗马人可能正是通过观察火山灰与水自然混合后凝固的过程，学会了利用火山灰，从而得出最早已知的混凝土配方。
“今天，我们有机会借助21世纪的技术和对环境影响的认识，来观察胶结作用，”瓦诺里奥说。
瓦诺里奥与材料科学与工程教授阿尔贝托·萨列奥（Alberto Salleo）合作，不再局限于模仿地质过程，而是利用纳米尺度工程，对这些过程加以操控，以获得特定的结果和力学性能。“越来越明显的是，水泥可以在纳米尺度上进行设计，也应当在该尺度上加以研究，”萨列奥说。
接纳混凝土的缺陷
水泥的诸多性能取决于微小的缺陷，以及各组分之间键合的强度，萨列奥说。在粉碎岩石的胶结过程中生长并相互交织的微小纤维，就像拉紧的绳索，赋予材料强度。“我们常说，材料就像人一样：正是其中的缺陷让它们变得有趣，”他说。
2019年，萨列奥对儿时在罗马成长时于废墟中见过的古代混凝土抱有持久的好奇，于是联系了瓦诺里奥。瓦诺里奥自己的岩石物理学研究之路，始于她童年时期在那不勒斯港口城市的经历——当地地处一个火山口的中心，罗马混凝土正是在那里首次被研发出来，她在那里亲历了地壳的活跃变化。
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此后，萨列奥逐渐认为，受地质过程启发的低碳熟料研究，与其课题组在可持续发展方面的项目相契合，例如基于塑料材料的低成本太阳能电池，以及用于储能的电化学装置。
“思考低碳熟料，是减少我们排放到大气中的二氧化碳量的另一种途径，”他说。但这仅仅是个开始。“地球是一座巨大的实验室，材料在高温高压下相互混合。谁知道还有多少其他有趣且最终有用的结构等待我们发现？”
来源：斯坦福大学
