普通人對與混凝土的了解總是有限的，例如：它是多孔的；它是世界上消耗最多的材料，僅次于水；它不是水泥。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。

圖片來(lái)源：Pix / Pexels

水泥是什么？

• 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，最終形成的就是水泥。
• 如果在水泥中加入沙子，它將變成砂漿；如果在砂漿中添加大骨料，直徑最大至一英寸的石，它將變成混凝土。

是什么使水泥如此堅固？

• 使水泥如此堅固的，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)為水化。在水化過(guò)程中，熟料溶解到鈣中，并與水和二氧化硅復合，形成二氧化硅鈣水合物。
• 硅鈣水合物(CSH)是決定水泥穩定性的關(guān)鍵。它們結合在一起，形成緊密的化學(xué)鍵，為材料提供強度。不過(guò)，它們同樣會(huì )使水泥具有多孔性。
• 在CSH鍵之間的空間中，會(huì )形成3納米大小的細孔，這些被稱(chēng)為凝膠孔。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。
• 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。

高性能混凝土的誕生

• 從1980年代開(kāi)始，工程師們設計了一種材料——高性能混凝土（HPC）。
• 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，同時(shí)還添加了某些成分，產(chǎn)生更多的CSH并減少水合后殘留的水。從本質(zhì)上講，它減少了孔隙并提高了材料的強度。
• 當然，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受歡迎的建筑材料，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。

如何降低混凝土對環(huán)境的影響？

• 混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，當今已經(jīng)存在許多減少混凝土足跡的技術(shù)。碳捕獲、利用和儲存在減少水泥和混凝土對環(huán)境的影響方面具有巨大的潛力，同時(shí)也創(chuàng )造了巨大的市場(chǎng)機會(huì )。
• 根據氣候與能源解決方案中心(Center for Climate and Energy Solutions)的數據，到2030年，混凝土中的碳利用將擁有4000億美元的全球市場(chǎng)。一些公司，如固化技術(shù)公司和碳固化公司，通過(guò)設計水泥和混凝土，在生產(chǎn)過(guò)程中利用并必然隔離二氧化碳，走在了曲線(xiàn)的前面。
• 目前，混凝土混合物的確切規格是預先規定的。隨著(zhù)時(shí)間的推移，混凝土在建筑和基礎設施中的應用可以降低溫室氣體的排放。例如，混凝土建筑可以有很高的能源效率，而混凝土路面的表面和結構特性允許汽車(chē)消耗更少的燃料。
• 混凝土也可以通過(guò)暴露在空氣中來(lái)減少它最初的一些影響?；炷恋莫毺刂幵谟?，它在整個(gè)生命周期中通過(guò)一種叫做碳化的自然化學(xué)過(guò)程來(lái)吸收碳。
• 當空氣中的二氧化碳與水泥發(fā)生反應形成水和碳酸鈣時(shí)，碳化作用在混凝土中逐漸發(fā)生。2016年發(fā)表在《自然地球科學(xué)》(Nature Geoscience)上的一篇論文發(fā)現，自1930年以來(lái)，混凝土碳化已經(jīng)抵消了43%的水泥生產(chǎn)過(guò)程中碳酸鈣向熟料化學(xué)轉化的排放。
• 然而，碳酸化有一個(gè)缺點(diǎn)。它會(huì )導致鋼筋的銹蝕，經(jīng)常在混凝土內設置。展望未來(lái)，工程師們可能會(huì )尋求在碳化過(guò)程中最大限度地吸收碳，同時(shí)最小化其可能造成的耐久性問(wèn)題。
• 碳化，以及碳捕獲、利用、儲存和改良混合等技術(shù)，都將有助于生產(chǎn)低碳混凝土，要實(shí)現這一目標，需要學(xué)術(shù)界、產(chǎn)業(yè)界和政府的合作。