科学家正在制造更好的低碳混凝土

从住宅和摩天大楼到艺术雕塑和人行道，混凝土无处不在，很难想象没有它的现代世界。作为地球上使用最广泛的人造材料，由于其能源密集型生产，它在全球碳排放中也发挥着巨大作用。这意味着，即使对我们的生产方式进行轻微调整也会对其环境足迹产生重大影响。

混凝土作为一种建筑材料已经使用了几千年，并且至今仍非常受欢迎这是有原因的。它很便宜、很坚固、制造简单且持续时间很长。今天，全球混凝土的使用量约为每年300亿吨，预计需求量将从这里开始增加。

混凝土的巨大碳足迹主要源于一种关键成分：水泥。它被添加到沙子、砾石和水中，从而形成湿的混凝土，当它们干燥时可以被倒入模具中形成结构，但水泥的生产是该过程中碳密集度最高的部分。

它涉及使用化石燃料将石灰石和粘土加热到极端温度，约1400℃。这不仅需要大量的能源，而且石灰石需要从地球上提取，并在烘烤前被粉碎。这个蒸煮过程本身还会释放出大量储存的二氧化碳，每生产一吨水泥就有约600公斤的二氧化碳。总而言之，水泥生产占全球碳排放的8%左右。

石灰石的替代物？

由于石灰石是水泥的关键成分，因此是科学家们探索更多环境友好型替代品的一个重点。去年，斯坦福大学的科学家制作了一种低碳水泥配方，他们将石灰石换成了火山岩。这种材料需要以同样的能源密集型方式处理以形成水泥，但不包含任何会在整个过程中释放的储存碳。

同样在去年，另一个有趣的方法来自德国和巴西的科学家，他们的低碳水泥配方使用了一种丰富的采矿废料–称为Belterra粘土，其可以取代50%到60%的石灰石。这使得更多的碳被锁在地下，而且它还可以在较低的温度下烘烤。虽然人们发现这种材料符合传统水泥的性能标准，但其配方可以减少2/3的碳排放。

低碳水泥的一个特别有趣的例子是今年早些时候来自科罗拉多大学博尔德分校的科学家，他们受到了微小的微藻的启发，这些微藻能自然地封存二氧化碳并将其转化为碳酸钙壳，他们将其描述为“石灰石的盔甲”。科学家们能饲养这些微藻并让它们生产这种生物生长的石灰石，然后将其纳入水泥生产以取代开采的材料。

使这项研究如此引人注目的是，由此产生的混凝土不仅看起来和表现得像普通的混凝土而且实际上可以实现碳中和，甚至是负碳。这是因为微藻捕获更多的二氧化碳以作为生产碳酸钙的燃料，而不是通过这一过程产生的二氧化碳。

这些科学家获得了320万美元的资助，从而用于扩大其生物石灰石和碳中性混凝土的生产规模。他们估计，1-2万英亩的露天池塘将提供足够的空间来培养满足美国水泥需求所需的微藻类。

经久不衰的混凝土

虽然混凝土的弹性是其有吸引力的特点之一，但这并不意味着没有改进的余地。如当混凝土结构出现裂缝时就会导致水进入，从而大大影响其强度。这可能使它们的维护费用昂贵，甚至可能需要完全更换以防止灾难性的倒塌。这间接地增加了材料的碳足迹，但也有一些有趣的解决方案在其中。

其中包括使用特殊胶水将自身的裂缝编织在一起的混凝土形式及用真菌填充裂缝的其他形式。这种自我修复的混凝土的一个版本来自伍斯特理工学院的科学家，他们使用了一种在人类血液中发现的酶，这种酶可以在混凝土成型之前被加工成混凝土粉末。

当混凝土中形成一个小裂缝时，这种酶通过跟空气中二氧化碳的反应产生碳酸钙晶体，然后继续填充缝隙。在测试中，混凝土被证明能在24小时内修复自己的裂缝，科学家们预测，这项技术可以将混凝土结构的寿命延长20至80年。

科学家们寻求加强混凝土耐久性的其他方法之一–也许并不令人惊讶–就是使用世界上最强的人工材料。将石墨烯融入混凝土已被证明可以使其更加坚固和耐水，去年大家就有看到它在世界上可能采取的形状。

曼彻斯特大学的Concretene的特点是在水和水泥中加入极少量的石墨烯用来作为机械支持并促进化学反应以将混合物变成混凝土。其结果是，混凝土具有更强的粘结力，强度提高了约30%。去年，这种材料被浇筑成世界上第一个石墨烯增强的混凝土板，工程师将在那里监测其性能。

他们的想法是，由于Concretene比传统混凝土强得多，因此需要使用更少的混凝土来为建筑物带来同样的结构强度。从事这项工作的团队计算出，如果在全球供应链中部署这种材料那么可以使全球的排放量减少约2%。

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