一般人對混凝土有很多了解。例如，它是多孔的。它是僅次于水的世界上使用最多的材料；而且，也許從最根本上講，它不是水泥。

僅次于水，混凝土是地球上消耗最多的材料。麻省理工學(xué)院混凝土可持續發(fā)展中心的研究人員研究了如何減少其影響。

盡管許多人交替使用“水泥”和“ 混凝土 ”，但它們實(shí)際上是指兩種不同但相關(guān)的材料：混凝土是由多種材料制成的復合材料，其中一種是水泥。

水泥生產(chǎn)始于石灰石，一種沉積巖。采石后，將其與二氧化硅源（例如工業(yè)副產(chǎn)品爐渣或粉煤灰）混合，并在華氏2700度的窯爐中燒制。

從窯中出來(lái)的東西稱(chēng)為熟料。水泥廠(chǎng)將熟料研磨成極細的粉末，并加入一些添加劑。最終結果是水泥。

麻省理工學(xué)院混凝土可持續發(fā)展中心（CSHub）的院長(cháng)弗朗茲-約瑟夫·烏爾姆（Franz-Josef Ulm）教授解釋說(shuō)：“然后，水泥被帶到與水混合的位置，在那里變成水泥漿?！?/p>

“如果在砂漿中加入沙子，它就會(huì )變成砂漿。如果在砂漿中加入大的骨料（直徑最大為一英寸的石頭），它將變成混凝土?！?/p>

使混凝土如此堅固的是水泥和水混合時(shí)發(fā)生的化學(xué)反應-這種過(guò)程稱(chēng)為水合作用。

烏爾姆說(shuō)：“水合發(fā)生在水泥和水反應時(shí)?！?“在水合過(guò)程中，熟料溶解到鈣中，并與水和二氧化硅重新結合，形成二氧化硅鈣水合物?！?/p>

水合二氧化硅鈣或CSH是水泥固結性的關(guān)鍵。當它們形成時(shí)，它們結合在一起，形成緊密的結合，從而增強了材料的強度。這些連接產(chǎn)生令人驚訝的副產(chǎn)品-它們使水泥難以置信的多孔。

在CSH鍵之間的空間中，會(huì )形成3納米大小的細孔，或者 大約八分之一英寸。這些被稱(chēng)為凝膠孔。

最重要的是，在水化過(guò)程中任何未反應形成CSH的水都會(huì )殘留在水泥中，從而形成另一組較大的孔隙，稱(chēng)為毛細孔。

根據CSHub，法國國家科學(xué)研究中心和艾克斯-馬賽大學(xué)進(jìn)行的研究，水泥漿是如此多孔，以至于96％的孔都連通。

盡管具有這種孔隙率，但水泥仍具有出色的強度和粘結性能。當然，通過(guò)降低這種孔隙率，可以生產(chǎn)出密度更高甚至更堅固的最終產(chǎn)品。

從1980年代開(kāi)始，工程師設計了一種材料-高性能混凝土（HPC）。

烏爾姆說(shuō)：“高性能混凝土是在1980年代開(kāi)發(fā)的，當時(shí)人們意識到可以通過(guò)降低水灰比來(lái)部分減少毛細孔?！?/p>

“還添加了某些成分，這會(huì )產(chǎn)生更多的CSH并減少水合后殘留的水。從本質(zhì)上講，它可以減少充滿(mǎn)水的較大毛孔并提高材料的強度?！?/p>

當然，烏爾姆指出，降低高性能混凝土的水灰比也需要更多的水泥。并且取決于水泥的生產(chǎn)方式，這會(huì )增加材料對環(huán)境的影響。

部分原因是，當在窯中燒制碳酸鈣以生產(chǎn)常規水泥時(shí)，會(huì )發(fā)生化學(xué)反應，從而產(chǎn)生二氧化碳（CO 2）。

水泥CO 2排放的另一個(gè)來(lái)源來(lái)自加熱水泥窯。由于窯中需要極高的溫度（2,700 F），因此必須使用化石燃料進(jìn)行加熱。窯的電氣化正在研究中，但目前在技術(shù)上或經(jīng)濟上都不可行。

由于混凝土是世界上最流行的材料，水泥是混凝土中使用的主要粘合劑，因此這兩種CO 2來(lái)源是水泥造成全球排放量約8％的主要原因。

但是，CSHub的執行董事杰里米·格雷戈里（Jeremy Gregory）將混凝土的規模視為緩解氣候變化的機會(huì )。

“混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料。由于我們使用了太多這種材料，因此我們減少其占地面積的做法將對全球排放量產(chǎn)生重大影響?！?/p>

他指出，當今已經(jīng)存在許多減少混凝土足跡的技術(shù)。

格雷戈里解釋說(shuō)：“在減少水泥排放方面，我們可以通過(guò)增加使用廢料作為能源而不是化石燃料來(lái)提高水泥窯的效率?！?/p>

“我們還可以使用熟料較少的混合水泥，例如波特蘭石灰石水泥，在水泥生產(chǎn)的最后研磨步驟中將未加熱的石灰石混合。最后我們要做的就是捕獲，儲存或利用水泥生產(chǎn)過(guò)程中排放的碳。 ”

碳的捕獲，利用和儲存具有巨大的潛力，可以減少水泥和混凝土對環(huán)境的影響，同時(shí)創(chuàng )造大量的市場(chǎng)機會(huì )。

根據氣候與能源解決方案中心的數據，到2030年，混凝土的碳利用量將具有4000億美元的全球市場(chǎng)。

像Solidia Cement和Carbon Cure這樣的多家公司正在通過(guò)設計利用和隔離碳的水泥和混凝土來(lái)走在前列。生產(chǎn)過(guò)程中的CO 2。

格雷戈里說(shuō)：“不過(guò)，顯而易見(jiàn)的是，低碳混凝土混合物必須使用許多此類(lèi)策略。這意味著(zhù)我們需要重新考慮如何設計混凝土混合物?！?/p>

當前，混凝土混合物的確切規格被提前規定。雖然這降低了開(kāi)發(fā)人員的風(fēng)險，但同時(shí)也阻礙了降低排放量的創(chuàng )新混合物。

作為解決方案，Gregory提倡指定混合物的性能，而不是其成分。

他解釋說(shuō)：“許多規定性要求限制了改善混凝土對環(huán)境的影響的能力，例如對水灰比的限制以及混合物中廢料的使用?！?“轉向基于性能的規范是鼓勵更多創(chuàng )新并達到成本和環(huán)境影響目標的關(guān)鍵技術(shù)?！?/p>

格雷戈里認為，這需要文化轉變。為了過(guò)渡到基于性能的規范，許多利益相關(guān)者，例如建筑師，工程師和說(shuō)明者，將不得不合作為他們的項目設計最佳組合，而不是依賴(lài)預先設計的組合。

格雷戈里說(shuō)，為鼓勵其他低碳混凝土驅動(dòng)因素，“我們[還]必須解決風(fēng)險和成本障礙。我們可以通過(guò)要求生產(chǎn)商報告其產(chǎn)品的環(huán)境足跡并制定基于性能的規范來(lái)減輕風(fēng)險。

為了解決成本問(wèn)題，我們需要支持碳捕獲和低碳技術(shù)的開(kāi)發(fā)和部署?！北M管創(chuàng )新可以減少混凝土的初始排放，但混凝土也可以通過(guò)其他方式減少排放。

一種方法是通過(guò)其使用。在建筑物和基礎設施中使用混凝土可以降低溫室氣體的排放量。例如，混凝土建筑可以具有較高的能源效率，而混凝土路面的表面和結構特性可使汽車(chē)消耗更少的燃料。

混凝土還可以通過(guò)暴露在空氣中來(lái)減少其最初的影響。格雷格里說(shuō)：“混凝土的獨特之處在于，它實(shí)際上是在稱(chēng)為碳化的自然化學(xué)過(guò)程中吸收碳的?！?/p>

隨著(zhù)空氣中的CO 2與水泥反應形成水和碳酸鈣，碳化逐漸在混凝土中發(fā)生?！蹲匀坏厍蚩茖W(xué)》（Nature Geoscience）上2016年的一篇論文發(fā)現。

自1930年以來(lái)，混凝土的碳酸化已抵消了水泥生產(chǎn)過(guò)程中碳酸鈣化學(xué)轉化為熟料產(chǎn)生的排放量的43％。

碳酸化有一個(gè)缺點(diǎn)。它可能導致通常放置在混凝土中的鋼筋腐蝕。展望未來(lái)，工程師可能會(huì )尋求在碳化過(guò)程中最大程度地吸收碳，同時(shí)還將其可能引起的耐久性問(wèn)題降至最低。

碳化，以及碳捕獲，利用和儲存等技術(shù)以及改進(jìn)的混合料，都將為低碳混凝土做出貢獻。格雷戈里說(shuō)，但要使之成為可能，則需要學(xué)術(shù)界，工業(yè)界和政府的合作。

他認為這是一個(gè)機會(huì )。他指出：“改變并不一定要基于技術(shù)?！?“通過(guò)我們?yōu)閷?shí)現共同目標而共同努力，這也可能發(fā)生?！?/p>