寫在前面，新技術(shù)和新成分可以大大減少水泥和混凝土生產(chǎn)中產(chǎn)生的巨大碳排放，因為威爾·V·斯魯巴爾教授（Wil V. Srubar）寫的清楚簡潔，尼克·博克曼的插畫做的很詳實明了，我們第一次僅做翻譯將文章分享給大家，原計劃要有一個水泥行業(yè)碳核查的文章，只能等以后有機會再分享了~。

混凝土無處不在：建筑、道路、人行道、橋梁以及幾乎所有可以想象到的結(jié)構(gòu)的地基中。我們制造的混凝土比地球上任何其他材料都要多，而且由于全球發(fā)展，特別是中國和印度的發(fā)展，混凝土的數(shù)量還在不斷增加。

水泥是一種將混凝土中的沙子或碎石粘結(jié)在一起的粉狀粘合劑，是地球上最耗能的產(chǎn)品之一。水泥中使用的石灰石在高達 1,450 攝氏度的巨大窯爐中燒制，而這些窯爐幾乎只使用化石燃料。

所涉及的化學(xué)反應(yīng)會產(chǎn)生更多的副產(chǎn)品二氧化碳。生產(chǎn) 1 千克水泥會向大氣中排放 1 千克二氧化碳。每年，全球水泥和混凝土生產(chǎn)產(chǎn)生的二氧化碳排放量占人類總排放量的 9%。

一個世紀以來，社會一直以幾乎相同的方式制造水泥和混凝土。試驗表明，混合物中的一部分水泥可以用煅燒粘土或由粉煤灰和礦渣等廢物制成的成分代替，而不會降低強度，而且排放量更少。雖然供應(yīng)不足以滿足需求，但這些替代品可以在一定程度上減少二氧化碳。

其他替代材料和工藝可以大幅減少排放。有些已經(jīng)推廣，有些則處于試驗階段。由于大多數(shù)水泥和混凝土都是在當?shù)鼗騾^(qū)域內(nèi)制造的，靠近使用地，因此替代材料的可用性、允許使用替代材料的修訂建筑標準、改造的資本成本和市場接受度都是實際挑戰(zhàn)。

圖片來源：Jen Christiansen

圖片中的文字是：2014 年，水泥和混凝土生產(chǎn)產(chǎn)生了 25 億噸二氧化碳排放，占全球人為排放量的 8% - 9%。預(yù)計到 2050 年，對水泥和混凝土的需求將比 2014 年的水平增長 12% - 23%。2021 年，水泥產(chǎn)量約為 43 億噸。

01

提高水泥產(chǎn)量

水泥生產(chǎn)消耗大量能源，其中大部分來自排放二氧化碳的化石燃料。某些步驟也會直接排放二氧化碳，特別是石灰的產(chǎn)生（下列步驟 3）和硬化劑熟料的產(chǎn)生（下列步驟 4）。

用可再生能源替代化石燃料并提高整個生產(chǎn)效率可以減少高達 40% 的碳足跡。使用不同的原料生產(chǎn)熟料可以大幅降低剩余 60% 的碳排放量。（所示工藝適用于所謂的干窯；它們已廣泛取代了能耗更高的濕窯。）

步驟1：開采和研磨石灰石

工作原理：從采石場開采含有碳酸鈣的礦床，如石灰石或白堊，其中可能含有少量含硅、鋁或鐵的粘土。將原料粉碎成小于 10 厘米的碎片，然后磨成稱為生料的粉末。

改進空間：首先用玄武巖代替石灰石，或者使用由廢棄二氧化碳生產(chǎn)的“負碳石灰石” (步驟2），減少排放量高達 60% 至 70%。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟2：預(yù)熱生粉……

工作原理：窯爐上方的窯室內(nèi)的生料被窯爐的熱旋轉(zhuǎn)廢氣加熱至高達 700 攝氏度，同時帶走水分。

改進空間：燃燒富氧空氣以減少二氧化碳排放。增加二氧化碳捕集設(shè)備，可減少排放量高達 60%。利用廢棄二氧化碳制造負碳性石灰石（步驟 1）。燃燒生物質(zhì)或廢物來加熱窯爐，而不是化石燃料。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟3：...將水泥粉轉(zhuǎn)化為石灰

工作原理：預(yù)熱的水泥粉在窯頂上方和內(nèi)部的燃燒室內(nèi)以 750 至 900 攝氏度的溫度燃燒，將碳酸鈣轉(zhuǎn)化為氧化鈣（生石灰）和二氧化碳。這一步驟占原材料釋放的二氧化碳的 60% 至 70% ，消耗了整個水泥生產(chǎn)過程中所用燃料的約 65%。

改進空間：燃燒富氧空氣以減少二氧化碳(排放)。增加設(shè)備以捕獲二氧化碳。使用可再生能源驅(qū)動的電窯，將步驟 2、3 和 4 的排放量減少 30% 至 40%。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟4：將石灰轉(zhuǎn)化為熟料

工作原理：石灰在窯爐中以高達 1,450 攝氏度的溫度燃燒，窯爐每分鐘旋轉(zhuǎn)三至五次。這一過程將石灰燒結(jié)（熔合）成波特蘭水泥熟料（直徑 3-25 毫米的深灰色結(jié)節(jié)），并驅(qū)散更多的二氧化碳。熟料是一種粘合劑，當它與水反應(yīng)時會使水泥變硬。

改進空間：添加氟化鈣或硫酸鈣等礦化劑，降低石灰的燒結(jié)溫度，節(jié)省能源。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟5：冷卻并儲存熟料

工作原理：熱熟料通過爐排，由鼓風(fēng)機冷卻至約 100 攝氏度。冷卻后，熟料被儲存在筒倉中，可以保存很長時間而不會變質(zhì)，因此可以作為商品出售。

改進空間：對步驟 3 中的廢熱工藝或管道通電，進行初步冷卻。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟6：將熟料與石膏混合

工作原理：將熟料與石膏以20:1或25:1的比例混合。

有待改進的地方：使流程電氣化。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟7：將混合物研磨成波特蘭水泥

工作原理：滾筒磨機或球磨機將熟料和石膏磨成稱為波特蘭水泥的細灰色粉末。

改進空間：添加細磨石灰石，以替代高達 35% 的水泥，從而減少早期生產(chǎn)步驟中產(chǎn)生的排放。這種混合物被稱為波特蘭石灰石水泥。

通過添加粉煤灰（20% 至 40%）、礦渣（30% 至 60%）或煅燒粘土（20% 至 30%）來降低熟料與水泥的比例，從而制造“混合水泥”，減少類似百分比的排放。

圖片來源：Nick Bockelman

步驟8：筒倉中的房屋水泥

工作原理：將粉末充分混合，使其均勻一致，然后將其儲存在筒倉中。粉末將被裝袋零售或裝進卡車，運往混凝土攪拌設(shè)施。

改進空間：考慮在某些應(yīng)用領(lǐng)域使用低碳波特蘭水泥替代品。這些替代品包括堿激活水泥和藻類或微生物產(chǎn)生的生物水泥，以及由磷酸鎂、鋁酸鈣或硫鋁酸鈣制成的水泥。這些選擇可以將整個過程的排放量減少 40% 或更多。

圖片來源：Nick Bockelman

02

提高混凝土產(chǎn)量

混凝土通常在建筑工地或附近生產(chǎn)。優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計可以減少所需的混凝土量（步驟 3）。

拆除后再利用和加工混凝土（步驟 4）可以吸收大氣中的二氧化碳，抵消原始水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的部分排放。

將水泥、水和骨料混合

工作原理：在常溫下，將水泥與一定量的水和骨料（如沙子、礫石或碎石）混合，直至達到所需的流體稠度。混合物中約 80% 為骨料。

改進空間：將傳送帶和攪拌機改為使用可再生電力，大大減少排放。添加生物炭或藻類等添加劑來增加混凝土的強度或調(diào)整其可加工性或凝固時間，將排放量減少 1% 至 5% 或更多。

圖片來源：Nick Bockelman

運輸至施工現(xiàn)場

工作原理：混凝土在滾筒攪拌車內(nèi)混合，然后運送到施工現(xiàn)場。

改進空間：改用電動卡車。減少、收集廢棄混凝土并將其升級再造為其他預(yù)制材料，例如高速公路護欄。

圖片來源：Nick Bockelman

構(gòu)建結(jié)構(gòu)

工作原理：建筑設(shè)計決定了所需混凝土元素的形狀、體積和強度。

改進空間：優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，避免浪費混凝土。規(guī)范從要求混凝土中水泥的最低含量改為要求一定的抗壓強度，這可以減少必要的水泥含量。修改建筑規(guī)范，允許使用新的、替代的和混合的水泥。依靠混凝土隨時間增加強度的能力，規(guī)定抗壓強度為兩三個月，而不是通常的一個月，這可以減少所需的材料量。

圖片來源：Nick Bockelman

規(guī)劃生命終結(jié)

工作原理：拆除的混凝土通常被傾倒到垃圾填埋場或被粉碎并用作道路和高速公路的基礎(chǔ)材料。

改進空間：設(shè)計可拆除的混凝土，以便混凝土元素可以全部或部分重復(fù)使用。如果拆除混凝土，將其研磨并鋪薄以最大程度地增加其表面積，并盡可能長時間地暴露在空氣中以吸收二氧化碳。

經(jīng)過多年的暴露，混凝土可以吸收制造該混凝土?xí)r水泥排放二氧化碳的 17% 左右。

圖片來源：Nick Bockelman

在水泥和混凝土行業(yè)，企業(yè)和科學(xué)家正在努力開發(fā)新的低排放和零排放制造工藝，這些工藝有可能改變這個高污染行業(yè)。要將這些創(chuàng)新解決方案擴大到 2050 年實現(xiàn)凈零排放所需的規(guī)模，需要進一步的研究、開發(fā)以及全球范圍內(nèi)的雄心勃勃的投資和政策。

尼克·博克曼 (Nick Bockelman)是一位插畫家和平面設(shè)計師。

威爾·V·斯魯巴爾（Wil V. Srubar）是科羅拉多大學(xué)博爾德分校的建筑工程與材料科學(xué)副教授。