写在前面，新技术和新成分可以大大减少水泥和混凝土生产中产生的巨大碳排放，因为威尔·V·斯鲁巴尔教授（Wil V. Srubar）写的清楚简洁，尼克·博克曼的插画做的很详实明了，我们第一次仅做翻译将文章分享给大家，原计划要有一个水泥行业碳核查的文章，只能等以后有机会再分享了~。

混凝土无处不在：建筑、道路、人行道、桥梁以及几乎所有可以想象到的结构的地基中。我们制造的混凝土比地球上任何其他材料都要多，而且由于全球发展，特别是中国和印度的发展，混凝土的数量还在不断增加。

水泥是一种将混凝土中的沙子或碎石粘结在一起的粉状粘合剂，是地球上最耗能的产品之一。水泥中使用的石灰石在高达 1,450 摄氏度的巨大窑炉中烧制，而这些窑炉几乎只使用化石燃料。

所涉及的化学反应会产生更多的副产品二氧化碳。生产 1 千克水泥会向大气中排放 1 千克二氧化碳。每年，全球水泥和混凝土生产产生的二氧化碳排放量占人类总排放量的 9%。

一个世纪以来，社会一直以几乎相同的方式制造水泥和混凝土。试验表明，混合物中的一部分水泥可以用煅烧粘土或由粉煤灰和矿渣等废物制成的成分代替，而不会降低强度，而且排放量更少。虽然供应不足以满足需求，但这些替代品可以在一定程度上减少二氧化碳。

其他替代材料和工艺可以大幅减少排放。有些已经推广，有些则处于试验阶段。由于大多数水泥和混凝土都是在当地或区域内制造的，靠近使用地，因此替代材料的可用性、允许使用替代材料的修订建筑标准、改造的资本成本和市场接受度都是实际挑战。

图片来源：Jen Christiansen

图片中的文字是：2014 年，水泥和混凝土生产产生了 25 亿吨二氧化碳排放，占全球人为排放量的 8% - 9%。预计到 2050 年，对水泥和混凝土的需求将比 2014 年的水平增长 12% - 23%。2021 年，水泥产量约为 43 亿吨。

01

提高水泥产量

水泥生产消耗大量能源，其中大部分来自排放二氧化碳的化石燃料。某些步骤也会直接排放二氧化碳，特别是石灰的产生（下列步骤 3）和硬化剂熟料的产生（下列步骤 4）。

用可再生能源替代化石燃料并提高整个生产效率可以减少高达 40% 的碳足迹。使用不同的原料生产熟料可以大幅降低剩余 60% 的碳排放量。（所示工艺适用于所谓的干窑；它们已广泛取代了能耗更高的湿窑。）

步骤1：开采和研磨石灰石

工作原理：从采石场开采含有碳酸钙的矿床，如石灰石或白垩，其中可能含有少量含硅、铝或铁的粘土。将原料粉碎成小于 10 厘米的碎片，然后磨成称为生料的粉末。

改进空间：首先用玄武岩代替石灰石，或者使用由废弃二氧化碳生产的“负碳石灰石” (步骤2），减少排放量高达 60% 至 70%。

图片来源：Nick Bockelman

步骤2：预热生粉……

工作原理：窑炉上方的窑室内的生料被窑炉的热旋转废气加热至高达 700 摄氏度，同时带走水分。

改进空间：燃烧富氧空气以减少二氧化碳排放。增加二氧化碳捕集设备，可减少排放量高达 60%。利用废弃二氧化碳制造负碳性石灰石（步骤 1）。燃烧生物质或废物来加热窑炉，而不是化石燃料。

图片来源：Nick Bockelman

步骤3：...将水泥粉转化为石灰

工作原理：预热的水泥粉在窑顶上方和内部的燃烧室内以 750 至 900 摄氏度的温度燃烧，将碳酸钙转化为氧化钙（生石灰）和二氧化碳。这一步骤占原材料释放的二氧化碳的 60% 至 70% ，消耗了整个水泥生产过程中所用燃料的约 65%。

改进空间：燃烧富氧空气以减少二氧化碳(排放)。增加设备以捕获二氧化碳。使用可再生能源驱动的电窑，将步骤 2、3 和 4 的排放量减少 30% 至 40%。

图片来源：Nick Bockelman

步骤4：将石灰转化为熟料

工作原理：石灰在窑炉中以高达 1,450 摄氏度的温度燃烧，窑炉每分钟旋转三至五次。这一过程将石灰烧结（熔合）成波特兰水泥熟料（直径 3-25 毫米的深灰色结节），并驱散更多的二氧化碳。熟料是一种粘合剂，当它与水反应时会使水泥变硬。

改进空间：添加氟化钙或硫酸钙等矿化剂，降低石灰的烧结温度，节省能源。

图片来源：Nick Bockelman

步骤5：冷却并储存熟料

工作原理：热熟料通过炉排，由鼓风机冷却至约 100 摄氏度。冷却后，熟料被储存在筒仓中，可以保存很长时间而不会变质，因此可以作为商品出售。

改进空间：对步骤 3 中的废热工艺或管道通电，进行初步冷却。

图片来源：Nick Bockelman

步骤6：将熟料与石膏混合

工作原理：将熟料与石膏以20:1或25:1的比例混合。

有待改进的地方：使流程电气化。

图片来源：Nick Bockelman

步骤7：将混合物研磨成波特兰水泥

工作原理：滚筒磨机或球磨机将熟料和石膏磨成称为波特兰水泥的细灰色粉末。

改进空间：添加细磨石灰石，以替代高达 35% 的水泥，从而减少早期生产步骤中产生的排放。这种混合物被称为波特兰石灰石水泥。

通过添加粉煤灰（20% 至 40%）、矿渣（30% 至 60%）或煅烧粘土（20% 至 30%）来降低熟料与水泥的比例，从而制造“混合水泥”，减少类似百分比的排放。

图片来源：Nick Bockelman

步骤8：筒仓中的房屋水泥

工作原理：将粉末充分混合，使其均匀一致，然后将其储存在筒仓中。粉末将被装袋零售或装进卡车，运往混凝土搅拌设施。

改进空间：考虑在某些应用领域使用低碳波特兰水泥替代品。这些替代品包括碱激活水泥和藻类或微生物产生的生物水泥，以及由磷酸镁、铝酸钙或硫铝酸钙制成的水泥。这些选择可以将整个过程的排放量减少 40% 或更多。

图片来源：Nick Bockelman

02

提高混凝土产量

混凝土通常在建筑工地或附近生产。优化结构设计可以减少所需的混凝土量（步骤 3）。

拆除后再利用和加工混凝土（步骤 4）可以吸收大气中的二氧化碳，抵消原始水泥生产产生的部分排放。

将水泥、水和骨料混合

工作原理：在常温下，将水泥与一定量的水和骨料（如沙子、砾石或碎石）混合，直至达到所需的流体稠度。混合物中约 80% 为骨料。

改进空间：将传送带和搅拌机改为使用可再生电力，大大减少排放。添加生物炭或藻类等添加剂来增加混凝土的强度或调整其可加工性或凝固时间，将排放量减少 1% 至 5% 或更多。

图片来源：Nick Bockelman

运输至施工现场

工作原理：混凝土在滚筒搅拌车内混合，然后运送到施工现场。

改进空间：改用电动卡车。减少、收集废弃混凝土并将其升级再造为其他预制材料，例如高速公路护栏。

图片来源：Nick Bockelman

构建结构

工作原理：建筑设计决定了所需混凝土元素的形状、体积和强度。

改进空间：优化结构设计，避免浪费混凝土。规范从要求混凝土中水泥的最低含量改为要求一定的抗压强度，这可以减少必要的水泥含量。修改建筑规范，允许使用新的、替代的和混合的水泥。依靠混凝土随时间增加强度的能力，规定抗压强度为两三个月，而不是通常的一个月，这可以减少所需的材料量。

图片来源：Nick Bockelman

规划生命终结

工作原理：拆除的混凝土通常被倾倒到垃圾填埋场或被粉碎并用作道路和高速公路的基础材料。

改进空间：设计可拆除的混凝土，以便混凝土元素可以全部或部分重复使用。如果拆除混凝土，将其研磨并铺薄以最大程度地增加其表面积，并尽可能长时间地暴露在空气中以吸收二氧化碳。

经过多年的暴露，混凝土可以吸收制造该混凝土时水泥排放二氧化碳的 17% 左右。

图片来源：Nick Bockelman

在水泥和混凝土行业，企业和科学家正在努力开发新的低排放和零排放制造工艺，这些工艺有可能改变这个高污染行业。要将这些创新解决方案扩大到 2050 年实现净零排放所需的规模，需要进一步的研究、开发以及全球范围内的雄心勃勃的投资和政策。

尼克·博克曼 (Nick Bockelman)是一位插画家和平面设计师。

威尔·V·斯鲁巴尔（Wil V. Srubar）是科罗拉多大学博尔德分校的建筑工程与材料科学副教授。