混凝土是地球上产量最大的材料，但其二氧化碳排放量占全球总量的8%以上。
由于制造商利润微薄，几乎没有资金投入能够降低排放的技术，混凝土行业是最难实现脱碳的行业之一。
世界各地的许多行业正在研究并试点多种新策略和技术，以大幅减少水泥和混凝土的碳足迹。
应对气候迅速变化带来的挑战，可能需要一系列适用于本地和全球市场的解决方案。
人类生产的混凝土比地球上任何其他材料都多。它是现代文明名副其实的基石，而且理由充分。
混凝土坚固、耐用、价格实惠，几乎地球上每个社区都能获得。然而，全球混凝土行业有一个不为人知的问题：仅该行业就要为超过全球二氧化碳排放量8%的排放负责，排放量是航空业相关排放量的三倍多。过去二十年间，随着亚洲城市发展，这些排放量翻了一番，需求仍在以前所未有的速度增长。
混凝土行业也是最难实现脱碳的行业之一，部分原因在于制造商通常只在本地经营且利润微薄，几乎没有资金投入能够降低排放的技术。
然而，困难并不一定意味着不可能。
世界各地的建筑师、工程师、科学家以及水泥和混凝土制造商，正在研究并试点多种新策略和技术，以大幅减少水泥和混凝土的碳足迹。以下介绍其中几种，包括我的团队在科罗拉多大学开展的一项研究：探索如何利用全天然微藻解决混凝土最大的排放问题——水泥。
水泥占比不必达到100%
混凝土对气候造成影响的主要原因是波特兰水泥的生产；这种粉末是制造混凝土的原料。
水泥的生产方法是将富含碳酸钙的石灰石加热至超过2,640华氏度（1,450摄氏度）。碳酸钙分解为氧化钙（即生石灰）和二氧化碳——一种会导致气候变暖的温室气体。波特兰水泥协会称这一化学反应为“化学上的必然事实”，它造成了水泥相关排放的约60%，占比惊人。其余排放来自窑炉加热所需的能源。
减少混凝土碳足迹最有希望的短期策略之一，是使用燃煤电厂产生的粉煤灰、炼铁产生的矿渣以及煅烧黏土等材料，替代混凝土配合料中的部分波特兰水泥。这些材料统称为辅助胶凝材料。
在混凝土配合料中使用20%至50%的粉煤灰、矿渣或煅烧黏土，可使其隐含碳排放降低约同等比例。
另一种方法是使用少量磨细石灰石替代部分水泥，这种做法正逐渐成为最佳实践。经过严格测试，加利福尼亚州交通部最近宣布，将允许在其项目中使用波特兰石灰石水泥混合料（简称PLC）。以5%至15%的磨细石灰石替代水泥，PLC可将排放量降低约同等比例。加利福尼亚州的决定很快促使其他州也批准使用PLC。
如今，许多研究人员主张采用石灰石煅烧黏土水泥，其成分约为55%的波特兰水泥、15%的磨细石灰石和30%的煅烧黏土。这种水泥可将排放量减少45%以上。
电气化和碳捕集能发挥什么作用
水泥厂也开始测试碳捕集技术和电窑炉，以大幅削减排放。但碳捕集成本高昂，要扩大这项技术的规模以满足水泥和混凝土行业的需求并非易事。
窑炉电气化也面临同样的障碍。要让世界上能耗最高的工艺之一实现电气化，需要新技术和大量资本投入。不过，实现燃烧相关排放为零的前景足以吸引一些企业家和水泥公司——包括有意采用100%太阳能生产水泥的公司——竞相寻找能够大规模应用且在技术和经济上都可行的解决方案。
《通胀削减法案》由美国国会于2022年8月通过，可能有助于推广其中一些技术。该法案为设备现代化和增添碳捕集能力提供资金，并通过税收抵免激励制造商削减排放。
摆脱水泥，或许可以借助藻类
另一种策略是生产功能等效、完全不含波特兰水泥的材料。
碱激发矿渣混凝土或粉煤灰水泥混凝土等材料，是将矿渣、粉煤灰或两者与强碱混合制成的。研究表明，这些材料可减少90%或更多的碳排放，并可能达到规模和成本要求，但仍面临技术和监管方面的挑战。
已获得市场认可的低碳、无波特兰水泥混凝土产品包括硅灰石基模块化构件、压制土块和预制生物水泥产品，其中包括利用光合作用并能进行生物矿化的微藻生产的产品。
藻类也被用作替代生物燃料，为水泥窑炉供热；藻类养殖系统还与水泥生产相结合以捕集碳。
我和科罗拉多大学博尔德分校的团队正在研究如何利用藻类衍生石灰石生产波特兰水泥，这有望消除水泥制造相关排放的60%。这项技术的吸引力在于，它可以直接接入传统水泥生产流程。
利用混凝土封存捕集的二氧化碳
工程师还在尝试将捕集的二氧化碳注入混凝土，并使用由二氧化碳制成的骨料，替代混入混凝土的砾石或沙子。
这是一个令人振奋的概念，但迄今注入法带来的二氧化碳减排有限，而储存二氧化碳的骨料生产尚未实现规模化。
日益严峻的问题
最终，这些技术和其他技术能否兑现承诺，还需要时间检验。
可以确定的是，全球水泥和混凝土行业已经认识到自身面临必须解决的问题，而且没有一招制胜的方案。要应对人口持续增长和气候迅速变化带来的当前及长期挑战，可能需要一系列适用于本地和全球市场的解决方案。
