多年來，人類對水泥和混凝土的熱愛導致了大量的二氧化碳排放。

上圖：英國薩福克郡伊普斯威奇水泥廠。

沒有人知道是誰最先做的，或者是什么時候做的。但到了公元前2或3世紀，羅馬的工程師們經(jīng)常把燒灼過的石灰石和火山灰磨碎，制成鈣質(zhì)粉：一種與水混合就會開始變硬的粉末。

他們大量使用這種仍然潮濕的泥漿作為磚石工程的砂漿。但他們也學會了將浮石、鵝卵石或罐子碎片和水一起攪拌的價值：如果比例正確，水泥最終會將它們結合成一種堅固、耐用、巖石狀的集合體，名為“Opus caementicium”，或者，在后來的拉丁語動詞中衍生出一個詞，意思是“結合在一起” —— 混凝土。

羅馬人在整個帝國都在使用這種神奇的材料 —— 高架橋、防波堤、競技場，甚至像萬神殿這樣的寺廟。萬神殿至今仍矗立在羅馬市中心，號稱擁有世界上最大的無鋼筋混凝土圓頂。

兩千年后的今天，我們?nèi)栽谧鲋瑯拥氖虑椋瑸榈缆贰蛄骸⒏邩谴髲B和其他現(xiàn)代文明的重要組成部分傾倒數(shù)十億噸的混凝土。事實上，在全球范圍內(nèi)，人類每年要使用大約300億噸的混凝土，比除了水之外的任何其他材料都要多。隨著眾多快速發(fā)展的國家繼續(xù)其長達數(shù)十年的建設熱潮，這個數(shù)字只會上升。

不幸的是，我們對混凝土的長期偏愛也加劇了我們的氣候問題。如今最常用于粘結混凝土的水泥是一種19世紀的創(chuàng)新，被稱為“波特蘭水泥/硅酸鹽水泥（Portland cement）”。這種水泥是在能源密集型的窯爐中生產(chǎn)的，每生產(chǎn)一噸產(chǎn)品就會產(chǎn)生超過半噸的二氧化碳。將這個數(shù)字乘以全球十億噸的使用量，水泥制造產(chǎn)生的二氧化碳排放量約占全球二氧化碳總排放量的8%。

當然，這與交通運輸和能源生產(chǎn)所占的比例相去甚遠，兩者都遠超20%。但隨著應對氣候變化的緊迫性加強了公眾對水泥排放的監(jiān)督，以及美國和歐洲潛在的政府監(jiān)管壓力，這個問題已經(jīng)變得不容忽視。位于挪威奧斯陸的 CICERO 國際氣候研究中心的高級研究員羅比·安德魯（Robbie Andrew）說：“現(xiàn)在人們認識到，我們需要在2050年前將全球凈排放量減少到零。而混凝土行業(yè)不想做壞人，所以他們在尋找解決方案。”

總部位于倫敦的全球水泥與混凝土協(xié)會，和總部位于伊利諾斯州的波特蘭水泥協(xié)會等主要行業(yè)組織已經(jīng)發(fā)布了詳細的路線圖，希望到2050年將這一比例降至零。他們的許多戰(zhàn)略依賴于新興技術，更重要的是擴大替代材料和已經(jīng)存在了幾十年的未充分利用的做法。所有這些都可以通過混凝土生命周期的三種化學反應來理解：煅燒、水化和碳化。

直接的方法：從一開始就消除排放

波特蘭水泥是在進行煅燒反應的巨大回轉窯爐中制成的：

碳酸鈣（石灰石、白堊）+ 熱 → 氧化鈣（生石灰）+ 二氧化碳

上圖：為了制造用于大多數(shù)現(xiàn)代混凝土的波特蘭水泥，將磨碎的碳酸鈣巖石（通常是石灰石）與粘土一起送入一個巨大的旋轉窯。來自煤炭或天然氣爐的熱空氣將混合物升高到熔融熔巖的溫度，并烘烤出大量的二氧化碳。留下的是氧化鈣（生石灰），它與粘土中的礦物質(zhì)融合并冷卻成“熟料”：淺灰色的結節(jié)，將被磨碎制成水泥粉。在化石燃料燃燒和烘烤出的二氧化碳之間，波特蘭水泥生產(chǎn)約占人類二氧化碳排放總量的8%。

富含碳酸鹽的巖石被磨碎，和粘土一起放入窯爐中，粘土與生石灰融合，產(chǎn)生礦物質(zhì)，最終幫助混凝土抵抗裂縫和風化。最終的結果是“熟料”：淺灰色的結節(jié)被磨成水泥粉。

窯爐約40%的二氧化碳排放來自于這個等式中的“熱”項，這是一個很難削減的部分。熟料的生產(chǎn)需要1450攝氏度的峰值溫度，比熔融的熔巖還要高，而窯爐經(jīng)營者長期以來一直認為，達到這一溫度的唯一可行方法是燃燒煤炭或天然氣。像木材這樣的生物質(zhì)不能持續(xù)燃燒到足夠高的溫度。而由風能或太陽能等可再生能源供電的標準電加熱器，其熱量來自載流電線的電阻。羅比·安德魯說：“在電線斷掉之前，你不可能得到太多東西。”

然而，該行業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)開始探索可再生能源驅動的全電動選擇。例如，今年5月，瑞典綠色科技公司 SaltX Technology 展示了它可以用電弧煅燒機（Electric Arc Calciner）生產(chǎn)熟料：這是一種專利系統(tǒng)，類似于汽車制造商和其他制造商廣泛使用的用于切割金屬的等離子炬。等離子體火炬（Plasma torches）將電流通過惰性氣體射流，通常是氮氣或氬氣，使氣體電離并加熱到20000攝氏度以上。今年6月，SaltX宣布與瑞典石灰石供應商SMA Mineral建立合作關系，以加速其技術的商業(yè)化。

2021年，德國海德堡水泥公司（HeidelbergCement）證明，它可以用燃燒溫度超過2000攝氏度的氫氣取代化石燃料，生產(chǎn)熟料。目前，氫氣主要由天然氣制造。但它也可以通過電解水來制造。因此，隨著清潔能源價格的下降，以及用綠色電力生產(chǎn)大量氫氣變得更加合理，羅比·安德魯認為，水泥公司對此的興趣正在增長。

但是，波特蘭水泥協(xié)會（Portland Cement Association）可持續(xù)發(fā)展項目負責人理查德·博漢（Richard Bohan）表示，即便如此，在美國和世界各地的水泥生產(chǎn)商轉向氫批發(fā)之前，還有很多工作要做。系統(tǒng)還沒準備好。他說：“氫將是很好的選擇，而且可以立即減少我們40%的碳足跡。然而，氫需要基礎設施 —— 要么是管道，要么是一個非常強大的電網(wǎng)，而在美國的一些地區(qū)我們還沒有。”專家說，如果國會通過加速能源項目的提議，可能會有所幫助。

為了解決水泥排放的另外60%（即在煅燒反應過程中右側釋放的二氧化碳），水泥行業(yè)開始重新使用一些舊的水泥原料替代品。

例如，只需在最終產(chǎn)品中添加一些未烘焙的石灰石粉，一個窯爐的碳足跡就可以減少10%。（單獨使用石灰石是相對惰性的，但與水混合后會幫助波特蘭水泥硬化。）這種波特蘭石灰石水泥在歐洲已經(jīng)普遍使用，現(xiàn)在在美國也開始流行起來。理查德·博漢說：“我們看到，在美國的一些地區(qū)，波特蘭石灰石水泥是主要材料，我們聽到個別工廠說，從現(xiàn)在起，他們只生產(chǎn)這種類型的水泥。”

窯爐運營商也在重新考慮用富含礦物的工業(yè)廢品取代部分石灰石水泥。一個常用的例子是鋼鐵廠的高爐爐渣，它含有豐富的鈣，與水混合后會像標準水泥一樣變硬。另一種是來自燃煤電廠的飛灰，它不會自己變硬，但與水和標準水泥混合后會變硬。不管怎樣，這種水泥生產(chǎn)的混凝土至少和標準混凝土一樣堅固耐用，只是稍微有點磨蝕性和固化速度較慢，同時有可能會再減少15%甚至20%的排放。

當然，在這些廢物最初產(chǎn)生的過程中排放了大量的二氧化碳。但是，在水泥中使用它們不會再產(chǎn)生任何新的碳。兩個多世紀的工業(yè)化留下了大量的爐渣和灰燼，即使我們最終完全淘汰煤炭。羅比·安德魯：“這是雙贏。如果你有廢料，那么用它替換你的熟料比生產(chǎn)新的熟料更便宜。”事實上，這種技術已經(jīng)在巴西和中國等快速增長的國家得到廣泛應用，這些國家在建設工業(yè)的過程中產(chǎn)生了堆積如山的爐渣和灰燼。

然而，就其本身而言，剛才提到的各種取代不能減少化學反應右側釋放的總二氧化碳的約五分之一。因此，為了實現(xiàn)2050年零排放的目標，行業(yè)研究人員一直在研究至少六種替代水泥的配方，這些配方可以減少或消除60%的碳排放 —— 通常是通過消除產(chǎn)生這種碳排放的波特蘭水泥成分：碳酸鈣。

這絕對是一個長期的解決方案，環(huán)境科學家杰弗里·里斯曼（Jeffrey Rissman）說。他在舊金山的氣候政策智庫能源創(chuàng)新（Energy Innovation）研究工業(yè)溫室氣體排放。“這些新技術正處于研發(fā)和商業(yè)化的不同階段，”他說。“因此，它們?nèi)孕枰嗟募夹g改進，以幫助它們擴大規(guī)模，降低成本。”

不過，有些替代方案的進展要比其他方案遠得多。其中發(fā)展最好的是“礦物聚合物（geopolymers）”，這是一種堅硬的材料，當各種硅和鋁的氧化物浸泡在堿液（氫氧化鈉）等堿性溶液中時，并通過將自己連接成長鏈和網(wǎng)絡進行反應。需要使用堿溶液而不是清水，確實使礦物聚合物水泥在施工現(xiàn)場處理起來更加棘手。盡管如此，它們已經(jīng)成功地應用在許多建設項目中。在過去的十年里，行業(yè)對礦物聚合物的興趣一直在快速增長：礦物聚合物的碳足跡總量比普通硅酸鹽水泥少80%，而且它們的強度也相當高。它們也更耐水、防火、耐風化和耐化學物質(zhì) —— 這就是為什么自20世紀70年代以來，礦物聚合物已經(jīng)被商業(yè)化生產(chǎn)出來，用于封裝有毒廢物，密封普通混凝土，以及其他各種非水泥應用。

而且，原料也不短缺：硅氧化物和鋁氧化物在爐渣和粉煤灰中含量豐富，在粘土、廢棄玻璃甚至農(nóng)業(yè)副產(chǎn)品中也能找到它們。（燒焦的稻殼含有豐富的二氧化硅，對吸入它們的人來說都是一種呼吸危險。）因此，除了減少碳排放，廣泛使用礦物聚合物水泥可能是處理相當多麻煩的廢物的一種便捷方式。

間接的方法：使具體效率最大化

一旦到達施工現(xiàn)場，水泥就開始在水化反應中實現(xiàn)預期的目的：

水泥（CaO和礦物）+ 水（H2O）+ 骨料（沙子或碎石）+ 空氣 → 混凝土

上圖：在施工現(xiàn)場，水泥粉和砂或礫石“骨料”與水混合（或在水泥攪拌車中預先混合）。然后將生成的泥漿倒入模具中，保持幾天或幾周不受干擾，使水-水泥反應將混合物緩慢硬化成混凝土。這個過程不會產(chǎn)生更多的二氧化碳。但它確實鎖定了骨料，從而增加了混凝土的強度和體積。

水泥、水和骨料被混合成濃漿（或通過水泥攪拌車運送），倒入模具，幾天或幾周不動，讓水和水泥發(fā)生反應形成混凝土。這一過程還會鎖定骨料，骨料包括強度和體積，以及鋼筋等任何增強材料。

除了需要用卡車運送材料到現(xiàn)場之外，這里沒有任何東西會產(chǎn)生更多的二氧化碳。但是，水化方程確實強調(diào)了一種間接減少建筑水泥使用量、進而減少碳足跡的方法：盡可能少使用混凝土。

根據(jù)全球水泥和混凝土協(xié)會（Global Cement and concrete Association）氣候路線圖的估計，對混凝土效率的仔細關注，可以實現(xiàn)該行業(yè)2050年零排放目標所需減排的近四分之一。但在國際氣候行動組織C40城市領導清潔建筑工作的塞西爾·法羅（Cécile Faraud）表示，“通常情況下，‘哦，為了安全起見，我們還是多澆一點混凝土吧。’”

確實如此，波特蘭水泥公司的理查德·博漢同意這一觀點，理由很充分：“承包商、材料供應商、建筑師和工程師自然都非常厭惡風險，”他說，編寫建筑規(guī)范的機構也是如此。“他們希望建筑環(huán)境能持續(xù)很長一段時間” —— 幾十年，甚至幾百年。而且，正如2021年在佛羅里達州的瑟夫賽德（Surfside）所證明的那樣，當時一棟有40年歷史的高層共管公寓倒塌，導致98名居民死亡，結構失效的后果可能非常嚴重。

不過，理查德·博漢補充說，面對氣候變化，人們的態(tài)度已經(jīng)開始轉變。該行業(yè)已經(jīng)開始意識到，他們可以擁有安全、保障和彈性，并擁有一個可持續(xù)的建筑環(huán)境。他們還必須與越來越多具有氣候意識、正在立法改革的城市合作：例如，2016年，溫哥華的目標是到2030年將混凝土和其他結構材料產(chǎn)生的排放量減少40%。

建筑商和工程師們正在嘗試各種方法，在不影響安全的情況下節(jié)約混凝土。一是通過精心設計。例如，環(huán)境科學家杰弗里·里斯曼說，高強度的混凝土混合物通常有更高的水泥含量，因此，碳足跡也更大。他說：“你可以把這些混合材料用于支撐柱子等結構元素，而在不需要支撐重物的走道或樓梯上使用強度較低的混合材料。”

上圖：總部位于倫敦的全球水泥和混凝土協(xié)會（Global Cement and Concrete Association）制定的這份路線圖，為該行業(yè)在2050年前將碳排放量降至零提出了七條途徑。第一：設計和施工效率：只使用結構安全和功能所需的混凝土。第二：混凝土生產(chǎn)效率：攪拌混凝土時，應注意質(zhì)量控制。第三：節(jié)約水泥和粘合劑：用礦渣和粉煤灰等無排放替代品替代一些窯的石灰石原料。四：節(jié)約熟料生產(chǎn)：使用氫氣或等離子射流等非排放源加熱窯。五：碳捕獲、利用和儲存：使用快速發(fā)展的技術，將二氧化碳直接從每個窯的廢氣流中提取出來，以供以后處理或再利用。第六：電力脫碳：將工業(yè)使用的少量電力轉換為可再生能源。第七：再碳化：增強混凝土中的自然碳化反應，將二氧化碳直接從空氣中排出。

今年5月，奧地利格拉茨理工大學（Graz University of Technology）的研究人員展示了一種更高科技的方法，可以達到類似的效果。他們發(fā)現(xiàn)，通過使用建筑規(guī)模的3D打印機，他們可以將混凝土建筑的碳足跡減少50%。近年來，這些系統(tǒng)吸引了全世界的興趣，因為它們是用當?shù)夭牧辖ㄔ旆课莺推渌ㄖ囊环N快速、經(jīng)濟的方式。在這些系統(tǒng)中，機器人控制的噴嘴擠壓濕混凝土流，一層一層地建造墻壁和其他元素。格拉茨的研究團隊通過使用這種方法創(chuàng)造了復雜的、充滿空隙的墻壁和天花板，將混凝土精確地放置在需要強度和安全的地方，而不是其他地方，從而節(jié)省了成本。該團隊還表明，打印機可以將細鋼絲與濕泥漿一起擠壓，從而加固僅有混凝土不夠堅固的結構部分，而不需要傳統(tǒng)的鋼筋或螺桿鋼。

一種更高科技的方法是，使用含有懸浮石墨烯薄片的水制成的混凝土：石墨烯是一種超強的碳形式，其中的原子彼此結合在一個原子厚的六角形晶格中。2018年，英國埃克塞特大學的一組研究人員宣布，他們使用這種石墨烯懸浮液生產(chǎn)出了比傳統(tǒng)混凝土強度高146%的混凝土。如果能找到方法以足夠低的價格大量生產(chǎn)石墨烯，使其成為常規(guī)用途（許多團體正在努力降低成本），那么該團隊的計算表明，用這種混凝土建造一整棟建筑只需要傳統(tǒng)建筑一半的水泥就能達到同樣的結構強度。這可能會對二氧化碳排放產(chǎn)生重大影響。

甚至還有一種不需要技術的方法：盡可能長時間地使用我們已經(jīng)建造的結構。畢竟，“你的建筑越耐用，新建筑所需的混凝土就越少，”維也納中歐大學的環(huán)境科學家戴安娜·尤爾格-沃薩茨（Diana ürge-Vorsatz）說，她是《2020年環(huán)境與資源年度回顧》中關于實現(xiàn)建筑行業(yè)凈零的方法的合著者。

戴安娜·尤爾格-沃薩茨認為，在像美國這樣的發(fā)達國家，這需要稅收政策和其他激勵措施來鼓勵重復使用，而不是無休止地建造光鮮亮麗的新東西。戴安娜·尤爾格-沃薩茨也是國際氣候變化小組的減排工作組的副主席。她說，在中國和印度等快速增長的國家，增加建筑的壽命意味著將重點從速度轉向質(zhì)量。她說：“當你只想快速擴張時，你會用最便宜、最快的方式。在東歐，我們在上世紀60年代和70年代有過一場大規(guī)模的建設熱潮，現(xiàn)在很多建筑已經(jīng)搖搖欲墜。”

還有一種非具體的方法：用更可再生的東西完全取代灰色的東西。一種新興的選擇是重型木結構（mass timber）：這是各種木制產(chǎn)品的總稱，這些產(chǎn)品被膠合或以其他方式粘合在巨大的結構元素中，其性能可與混凝土和鋼鐵持平或超過。自上世紀90年代初由奧地利研究人員開發(fā)以來，重型木結構在歐洲得到了廣泛應用，并在美國引起了越來越多的關注 —— 尤其是在俄勒岡州和華盛頓州等擁有大片森林和許多閑置鋸木廠的州。世界上最高的木結構建筑是一座87米高的公寓零售大樓，于2022年7月在威斯康辛州的密爾沃基完工，但它可能不會保持長久的榮譽：已經(jīng)有人提出了更高的重型木結構建筑 —— 包括一座將在芝加哥海濱高出80層的建筑。

最先進的方法：利用碳化反應

與外表相反，混凝土在化學上并不是惰性的。例如，即使它開始變硬，它也已經(jīng)參與了碳化反應：

Ca（OH）2（混凝土中）+ Co2（空氣中）→ CaCO3 + H2O（水蒸氣）

上圖：碳化反應是自然界逆轉水泥生產(chǎn)過程的一種方式：一旦混凝土中的鈣化合物暴露在空氣中的二氧化碳中，它們就會自發(fā)地再次形成碳酸鈣。盡管這一過程會使鋼筋面臨腐蝕風險，但這確實意味著舊的混凝土結構將重新吸收建筑過程中產(chǎn)生的40%的二氧化碳。

高級研究員羅比·安德魯說，實際上，這是水泥制造過程的自發(fā)逆轉：一旦混凝土中的鈣化合物暴露在空氣中的二氧化碳中，“它們就會試圖關閉循環(huán)，再次形成碳酸鈣。”

羅比·安德魯補充說，在新混凝土表面，這一過程發(fā)生得很快，然后隨著二氧化碳分子擴散到固體質(zhì)量越來越深的地方，尋找未反應的鈣，這一過程就會變慢。但它從未完全停止 —— 這意味著，所有這些散落在地球上的混凝土結構實際上正在從大氣中吸收二氧化碳，并消除它們造成的一些氣候破壞。波特蘭水泥協(xié)會（Portland Cement Association）在其路線圖中估計，較老的混凝土結構已經(jīng)吸收了建造過程中產(chǎn)生的約10%的二氧化碳。但理查德·博漢說，這是一個刻意保守的數(shù)字，其他估計則高達43%。

的確，對于建筑商來說，碳化常常被視為一個敵人 —— 尤其是在大型、沉重的結構元素中，如地基、柱子和擋土墻，所有這些都必須用鋼筋加固。在提供堿性環(huán)境的新混凝土中，這種鋼被一層保護性的氧化層包圍著。但在碳化混凝土中，化學物質(zhì)會轉移并溶解保護層。這使得鋼材容易生銹和腐蝕，最終導致結構倒塌。

然而，在過去十年中，至少有六家初創(chuàng)公司成立，他們的技術旨在增強碳化反應，從而使混凝土成為大氣中二氧化碳的重要存儲庫。

這些初創(chuàng)公司中最成熟的一家是位于新斯科省的 CarbonCure，該公司已經(jīng)為全球約418家波特蘭水泥廠配備了設備，將從發(fā)電廠等地方捕獲的二氧化碳注入新鮮潮濕的混凝土混合物中。注入的二氧化碳立即開始與泥漿發(fā)生反應，幾分鐘內(nèi)就會充滿大量固體碳酸鈣納米晶體。反過來，這些納米晶體將在混凝土固化時增強其強度 —— 這意味著，CarbonCure說，建筑商可以在不損失安全邊際的情況下少使用5%左右的波特蘭水泥。此外，該公司表示，其混凝土混合物可以與標準鋼筋一起使用，因為固體納米晶體不會像大氣中的二氧化碳那樣降解保護氧化層。

在加州的洛斯加托斯，藍色星球系統(tǒng)公司希望通過關注混凝土的骨料而不是水泥部分來實現(xiàn)更大幅度的減排。骨料是一種惰性填料，由沙子或礫石組成，構成了混凝土的大部分體積。該公司的工藝是專有的，但基本的想法是，從任何富含鈣的廢物開始，如拆除現(xiàn)場的礦渣或混凝土碎石，將其浸泡在“捕獲溶液”中，并將其暴露在來自水泥窯、發(fā)電廠、鋼鐵廠或任何其他排放源的原始煙氣中。這種溶液有助于鈣離子直接將二氧化碳從煙氣中抽出，并將其結合成碳酸鈣。

最終的結果是，在捕獲的溶液被回收再利用后，形成了含有44%碳酸鈣的固體結節(jié)。“藍色星球”正在加利福尼亞的匹茲堡建造它的第一個示范工廠，該公司說，當用作骨料時，這些結核產(chǎn)生的混凝土所含的二氧化碳與制造過程中所含的二氧化碳相當，甚至更多 —— 接近每立方米670公斤。

像這樣的創(chuàng)新是否真的能讓混凝土行業(yè)達到不排放凈二氧化碳的水平還有待觀察。然而，行業(yè)觀察人士和業(yè)內(nèi)人士都找到了足夠的樂觀空間，即便只是因為變革的勢頭如此迅速地建立起來。羅比·安德魯說，要記住，就在十年前，似乎還沒有可行的、對氣候友好的波特蘭水泥替代品。這種材料既便宜又熟悉，而且已經(jīng)有了龐大的基礎設施 —— 數(shù)百個采石場，數(shù)千個窯爐，成群結隊的卡車向建筑工地運送預混合的混凝土漿。因此，在很長一段時間里，脫碳水泥生產(chǎn)都屬于“太難”的范疇。

然而今天，由于人們對氣候問題的高度關注，人們現(xiàn)在回過頭來說，“哇，我們沒有意識到所有這些選項都是可用的。”

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