混凝土是地球上仅次于水的第二大消耗材料，其产量正在大幅增长，预计将从44 亿吨增加到 2050 年的55亿吨。不幸的是，这是以巨大的环境污染为代价的，几乎占全球碳排放量的 8%。建筑行业的利益相关者必须致力于将可持续建筑材料和创新流程结合起来。
随着建筑中的隐含碳比以往任何时候都更加关注，对低碳建筑材料的需求正在增加，而低碳混凝土也已经成为新的热门词汇。但什么是低碳混凝土，如何在更广泛的范围内采用它来帮助建筑行业实现碳减排目标，而不会对混凝土行业产生负面影响？
什么是低碳混凝土？
低碳混凝土是一种碳足迹还要低于传统含量的混凝土。除了减少碳足迹外，低碳混凝土的表现应与其他混凝土相同。
为了制造低碳混凝土，生产商可以对其生产过程和混合设计实施一系列影响相对较小的改变。例如，转换燃料来源，用煅烧粘土、粉煤灰或高炉渣等矿物化合物替代某些水泥成分，或使用一些创新技术。
为什么传统混凝土的碳足迹很大？
混凝土在我们的日常生活中发挥着至关重要的作用，它塑造了我们周围的建筑环境，从学校、医院和住房，到道路、桥梁、隧道、跑道、水坝和污水处理系统。事实上，混凝土是世界上使用最多的人造材料，地球上每个人每年使用 3 吨。
从各种工程材料隐含的CO₂和能耗上来看（见下图），混凝土材料均属于最低的。生产每kg混凝土产品或结构隐含的CO2当量介于0.05～0.3 kg（从素混凝土砌块到高强钢筋混凝土）。GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》中[2]，每立方米C30和C50混凝土隐含CO2（碳排放因子）分别为295 kg和385 kg CO₂e/m3（按混凝土典型容重2350kg/m3计算，折合 0.12～0.16 kg CO₂e/kg）。从这个意义上来说，混凝土本身相对低碳。
然而，混凝土的使用量实在是太大了，全球每年建造房屋、水利、交通、市政设施等工程的混凝土用量以百亿吨计。混凝土虽然单位重量的碳排放不高，但乘以巨大的用量就带来了巨大的碳排放总量。
混凝土隐含的CO₂主要来源于所使用的水泥。混凝土巨大使用量及不断增长，导致巨大的水泥需求量和产量增长。基于2000年统计数据，全球水泥生产的CO₂排放占总排放的5%，占全部温室气体排放的比例约为 3.8%。中国 2000年水泥产量为 8.5 亿吨；2020年产量达到 23.77亿吨，约占全球水泥总产量的55%，人均水泥用量约1.7吨——世界第一且遥遥领先。2020年，我国CO₂总排放量估计为 96.6～102.5亿吨 (估算的低值和高值)，水泥生产的CO₂排放约 12.3亿吨，占排放总量的12%左右，是碳排放大户。
对低碳混凝土的需求增加
在气候危机愈演愈烈的今天，建筑师、工程师、承包商和项目业主面临压力，市场对提高建筑产品碳足迹的透明度的需求不断增加。 这种压力在未来几年还将持续增加。
如何生产低碳混凝土
生产低碳混凝土没有灵丹妙药。混凝土由许多成分组成，因此有很多方法可以减少单个组件和过程的碳影响。
大多数减碳和除碳创新工作集中在三个关键领域：低碳燃料、低碳混合水泥以及碳捕获、利用和储存技术。
1. 低碳燃料 出于降低成本和减少碳排放的原因，混凝土行业多年来一直专注于燃油效率。最近，该行业开始评估从传统燃料（例如煤炭）向低碳燃料（例如可再生天然气）、废弃燃料（例如不可回收塑料、不可回收轮胎、铁路枕木等）的转变，甚至可能是碳中和燃料。
这些替代燃料可以将水泥制造的碳排放量减少多达 40%，然而，基于用于熟料制造的技术类型和此类燃料的当地可用性，存在一些限制。
2. 低碳混合水泥
大多数生产商已经在其水泥或混凝土混合物中使用波特兰石灰石水泥 (PLC) 和辅助胶凝材料 (SCM)。进一步优化这些材料的使用可以大大减少水泥和混凝土的排放。
例如，PLC 在制造过程的水泥研磨阶段使用未钙化石灰石，可以将混凝土的碳足迹减少 5-10%。SCM（包括飞灰和矿渣等物质）可以减少混凝土混合物中所需的水泥量，从而将碳排放量减少多达 30%。例如，粉煤灰是燃煤发电的副产品，可以替代混凝土混合物中 30-50% 的水泥，根据指定的替代水平将碳足迹减少 10-20%。
然而，随着全球燃煤发电的逐渐减少，粉煤灰的供应越来越受到限制。矿渣是铁制造过程的副产品，可以替代混合物中 40-50% 的水泥，在某些特殊应用中高达 90%。根据指定的替代水平，炉渣的碳减少量可高达 30%。
3. 碳捕获、利用和储存技术 碳捕获、利用和储存 (CCUS) 技术的创新可以说是混凝土行业最令人兴奋的发展。 碳捕获可以捕获水泥制造中高达 100% 的碳排放。这些捕获的排放物可以安全地储存在地下，注入混凝土以加强混凝土，或用于制造其他产品，如合成骨料或燃料。 案例研究 清捕零碳CO₂矿化混凝土建材技术体系 清捕零碳（北京）科技有限公司，是一家利用人工技术清除CO₂的创新企业，致力于碳捕集、利用与封存技术的科技研发与商业化应用。目前通过技术已成功将废弃CO₂封存于混凝土材料中，生产出降低碳足迹的固碳混凝土产品，并实现废弃CO₂的大规模、稳定封存利用，将混凝土这种全世界使用量最大的建筑材料转变为地球的碳汇资源。 清捕零碳研发的CO₂矿化混凝土建材技术体系，主要将传统蒸汽养护的环节改进为矿化养护技术。 相较于传统的混凝土预制件制作工艺，清捕零碳研发的CO₂矿化混凝土建材技术体系中，在混凝土原料环节中加入了大量的粉煤灰、电石渣等工业固废，形成了多元固废掺杂配方体系，在减少水泥用量的同时，多层面推动混凝土建材的绿色发展。 此外，该项技术还将工业排放的废弃CO₂，在混凝土生产中加入，并与原料中的钙、镁等离子形成矿化反应转化为矿物。这一过程中不仅不需要燃煤产生高温环境，降低能耗的同时也可以形成碳的闭环使用。 通过该项技术生产出新型固碳混凝土材料，不但能让混凝土建材的强度等指标有所提升，养护时间也比之前降低了一半以上，大大提升生产混凝土的效率。而该工艺在生产过程中，能够做到95%以上二氧化碳被有效利用。由于CO₂矿化反应在600℃以下的环境中不可逆，这样本来会进入大气的排放物将可永久地封存在混凝土中。经过测算，通过该项新技术，可让混凝土全生命周期的碳足迹相较于传统的制作工艺能够减少80%，未来有机会做到负碳产品。 在香港有机资源回收中心二期工程（O·PARK2）项目中，中国建筑国际集团旗下中国建筑工程（香港)与清洁捕获达成合作，使用CCUS技术生产固碳混凝土建材。经过测算，每使用1立方米的固碳混凝土产品与香港地区传统产品相比较可减少61公斤的二氧化碳排放，相当于1棵树三年的二氧化碳吸收量。此次清洁捕获固碳建材产品的应用，将帮助该项目大幅降低施工阶段的碳排放。 案例研究 北京智华通科技有限公司 低碳胶凝料 新型胶凝料用作基层、底基层代替水泥，弯拉强度可提高50%，结构层厚度优化。 通过使用新型高活性熟料与激发剂，激发粒化高炉矿渣的活性产物，形成纤维网状微观结构，提升抗弯拉强度；该水泥中水化放热矿物C 3 S 和 C 3 A 大大减少， 水化热远小于普通硅酸盐水泥；由于大量使用粒化高炉矿渣工业废弃物，该水泥具有极低的碳排放。碳排放约80kg/t ，仅为普通硅酸盐水泥 PO42.5 的 10%~15% 左右。 力学性能优异 效果：设计寿命提高；碳减排；结构优化后造价降低；开裂减少；减少工期。 解决问题：降本提效问题；双碳指标需求问题；寿命增加；减少半刚性基层开裂问题；工期节约。 案例研究 3D打印 + 低碳混凝土 作为一家拥有 120 多万公里输电和配电线路的可再生能源公司，Iberdrola 需要更多的输电网络，以促进能源从化石燃料向可再生能源的转变，并将这种绿色能源输送到负荷中心和客户。为了将这些新设施对环境的影响最小化，并降低项目成本和交货期，这家能源巨头决定与 HyperionRobotics 和 Peikko Group 合作，应用 3D 打印技术来改善其输电网络的建设。 Hyperion Robotics提供的解决方案旨在通过提高效率和流程生产力来优化电力运输设施的建设。考虑到建筑行业是自动化程度最低的行业，目前正面临着熟练劳动力短缺的问题，该解决方案非常实用，而且时机恰当。大规模的低碳混凝土 3D 打印，使混凝土施工更加廉价、快捷、安全、环保。 通过其3D打印微型工厂，HyperionRobotics 可以减少75%的结构混凝土需求量和大量废物。这一解决方案不仅使生产过程更具可持续性，而且还改善了健康和安全条件，因为机器人负责繁重的劳动，而工人则负责监督生产过程。 回收是行业的另一个问题，Hyperion 的机器人 3D 打印解决方案正在解决这个问题。目前，大部分的废料都没有被回收，但打印系统使使用钢筋低碳混凝土成为可能，这些混凝土是由来自高炉矿渣、粉煤灰、采矿尾矿和拆除垃圾等行业的循环末期材料组合而成的，这有助于显著节省成本和减少 90%的隐含二氧化碳排放。 Hyperion 与可再生能源公司 Iberdrola 和混凝土元素连接技术供应商 Peikko 集团合作的最新项目刚刚启动，这是世界上第一个 3D 打印垫基。 这种（3d 打印）粉底非常特别。它是在 Peikko 和 Iberdrola 的帮助下设计、工程和印刷的。与传统的衬垫基础相比，它节约了 75%的材料，而传统的衬垫基础通常可以在能源基础设施或任何其他类型的项目中找到。 这种创新的 3D 打印结构在水平和垂直拉力下进行了测试，结果表明，在实践中，仅 25%的材料就足以达到传统垫块地基的等效强度。这是一个巨大的成功，在二氧化碳排放量和建筑方法的改进，为行业的长远未来。 混凝土 3D 打印技术和机器人技术为建筑行业带来了重大和令人兴奋的新可能性，改善了碳足迹，并简化了直接从现场生产混凝土元素。 案例研究：低碳预拌混凝土 Lauren Concrete一直是新技术的早期采用者，随着其服务的市场越来越重视可持续建筑，Lauren Concrete 看到了利用低碳混凝土获得先发优势的机会。 随着 GPS 跟踪以增强车队优化、实时质量监控软件以及用于收集强度和温度数据的传感器等新技术的成功实施，Lauren Concrete 渴望探索为客户提供更环保混凝土的技术。CarbonCure 是 Lauren 采用的新技术。 CarbonCure 是混凝土行业制造技术，将回收的二氧化碳引入新鲜混凝土中，以减少其碳足迹而不影响性能。一旦注入，二氧化碳会经历矿化过程并永久嵌入。这为混凝土生产商带来了经济和气候效益——真正实现了双赢。 迄今为止，Lauren Concrete 总共减少了 6,413 吨CO₂排放，这相当于 8,337 英亩树木吸收混凝土一年的二氧化碳。 案例研究：低碳预制混凝土 CarbonCure Precast的工作原理是在混合过程中将回收的CO₂注入新鲜混凝土中。一旦注入，CO₂就会发生化学反应，转化为矿物质。这提高了混凝土的抗压强度，允许在混合设计中减少水泥含量。水泥生产是一个碳密集型过程，因此减少其使用可以显著改善预制和预应力混凝土的碳足迹。 Coreslab Structures (TEXAS) Inc. 正在寻求以高效且无中断的方式减少碳足迹的方法。它于 2020 年开始与 CarbonCure 合作，当时客户 Compass Datacenters 要求在德克萨斯州的一个新数据中心使用低碳混凝土。使用 CarbonCure 预计将使每个校园的CO2足迹平均减少 1,800 吨。 Coreslab (TEXAS) 实施了 CarbonCure 以满足其客户的需求。该团队对易于实施和减少水泥量印象深刻。因此，Coreslab 将 CarbonCure 添加到几乎所有预制混合料设计中，现在每天可节省约 1,000 美元的成本。Coreslab (MISSOURI) 和 Coreslab (ARIZONA) 也纷纷效仿，并希望看到类似的结果。
低碳混凝土蕴含着巨大的节能减排潜力，可以充分发挥混凝土材料在工程建设领域中低碳与减碳的作用，有效消纳工业固废与建筑垃圾，推动各行业绿色可持续发展。
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