除去水，混凝土可能是人類使用最多的物質(zhì)。但這是有代價(jià)的：水泥是一種把混凝土粘合在一起的膠漿。要制造水泥，需要將石灰石和其他材料放入窯爐內(nèi)進(jìn)行高溫?zé)?，這導(dǎo)致了全球近8%的碳排放。航空業(yè)的排放量為2.5%，由此也受到了大量抨擊，敦促該行業(yè)減少碳足跡。與此同時(shí)，水泥行業(yè)一直處于人們的關(guān)注之下。

今年1月，新澤西州成為美國第一個(gè)通過商業(yè)稅收抵免促進(jìn)低碳混凝土使用的州，這是人們對混凝土碳問題的認(rèn)識日益提高的一個(gè)跡象。

與此同時(shí)，研究人員也在盡自己的一份力量來減少混凝土的碳足跡。華盛頓州立大學(xué)的工程師最近報(bào)告說，他們創(chuàng)造了一種能吸收比排放更多二氧化碳的混凝土。

他們用生物炭代替了三分之一的水泥，制成了負(fù)碳混凝土，生物炭是一種由農(nóng)業(yè)和林業(yè)廢物制成的木炭。WSU土木與環(huán)境工程教授Xiangming Shi表示：“有了這一點(diǎn)，我們應(yīng)該能夠幫助實(shí)現(xiàn)建成環(huán)境的碳中和。”Shi和他的研究生Zhipeng Li在《材料快報(bào)》雜志上：（https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0167577X23005530）報(bào)道了他們的做法。

水泥在混凝土中所占比例不到15%，其余的是水和礫石或碎石的混合物。但制造混凝土所需的高溫化學(xué)反應(yīng)造成了混凝土不成比例的高碳足跡。Shi說：“生產(chǎn)每噸水泥大約會釋放0.9噸二氧化碳?！?/p>

研究人員正試圖通過處理混凝土生產(chǎn)過程的每一步來減少這種足跡。一些人通過提高水泥生產(chǎn)過程的能源效率或使用可再生能源來削減水泥生產(chǎn)的能源使用。其他人已經(jīng)用建筑和工業(yè)廢料、礦渣和粉煤灰部分取代了混凝土中的水泥。一些團(tuán)隊(duì)正在用捕獲的二氧化碳排放物制造混凝土，而另一些團(tuán)隊(duì)則在混凝土中添加藻類、細(xì)菌和血液酶等生物材料，使其從空氣中吸收二氧化碳。“每一塊拼圖都在進(jìn)行中，”Shi說，“但即便如此，你也只能將混凝土的碳足跡減少70%到80%，而不是100%?！?/p>

Shi和Li通過用工程生物炭交換30%的水泥來制造負(fù)碳混凝土。如今，生物炭是通過在低氧環(huán)境中高溫加熱木屑、稻殼或水處理污泥等廢料制成的。其他人以前曾嘗試用生物炭代替水泥，但即使是5%的生物炭也會大大降低混凝土的強(qiáng)度和耐久性。

為了解決這個(gè)問題，兩人首先用混凝土生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的廢水處理生物炭。含鈣的堿性廢水滲入多孔生物炭中，與空氣中的二氧化碳反應(yīng)生成碳酸鈣。這種碳酸鈣可以增強(qiáng)生物炭的強(qiáng)度，幫助它更好地與水泥結(jié)合，從而形成堅(jiān)固的混凝土。

由于多種因素，生物炭水泥混合物會導(dǎo)致負(fù)碳混凝土。首先，生物炭是一個(gè)碳匯，其重量的23%吸收了空氣中的二氧化碳。接下來，通過用生物炭部分取代水泥，“你正在用減碳材料取代碳密集型材料，”Shi說。最后，他補(bǔ)充道，“生物炭是由“生物質(zhì)制成的，否則這些生物質(zhì)將被填埋，釋放二氧化碳或甲烷，這是一種比二氧化碳更強(qiáng)的溫室氣體?！?/p>

一家名為CarbiRete的初創(chuàng)公司也在開發(fā)負(fù)碳混凝土。該公司在混凝土混合物中使用煉鋼產(chǎn)生的礦渣，并使用從工業(yè)工廠捕獲的二氧化碳來固化混凝土，而不是水泥。一個(gè)缺點(diǎn)是混凝土必須預(yù)制，不能在現(xiàn)場澆筑和凝固。

Shi的團(tuán)隊(duì)正專注于使用工程生物炭來減少混凝土排放。雖然目前的論文報(bào)道了負(fù)碳混凝土，但他的團(tuán)隊(duì)也在努力減少水泥本身的排放，使其成為負(fù)碳混凝土。

生物炭是一種人類已經(jīng)知道幾個(gè)世紀(jì)的材料。它作為一種改善土壤健康的土壤改良劑，最近在農(nóng)民和園丁中很受歡迎，它還可以吸收空氣和有機(jī)物中的碳。Shi說，在水泥中使用它對封存碳更有意義。“當(dāng)你把它放在土壤中時(shí)，比如說一百年后，碳會以二氧化碳或甲烷的形式回到大氣中，所以它不會永遠(yuǎn)留在那里。但在混凝土中，碳會永遠(yuǎn)被鎖住?！?/p>

Shi說，他的研究引起了混凝土行業(yè)的興趣，他現(xiàn)在正計(jì)劃分拆開發(fā)負(fù)碳混凝土。