麻省理工學院:新的添加劑可以將混凝土變成有效的碳匯
麻省理工學院的工程師發現了新的碳化途徑，以制造更環保的混凝土。
盡管混凝土作為現代建筑材料具有許多優點，包括高強度、低成本和易于制造，但其產量目前約占全球二氧化碳排放量的 8%。
麻省理工學院的一個團隊近的發現表明，在現有的混凝土制造工藝中引入新材料可以顯著減少這種碳足跡，而不會改變混凝土的整體機械性能。
研究結果今天發表在PNAS Nexus雜志上，麻省理工學院土木與環境工程教授Admir Masic和Franz-Josef Ulm，麻省理工學院博士后Damian Stefaniuk和博士生Marcin Hajduczek以及哈佛大學Wyss研究所的James Weaver。
僅次于水，混凝土是世界上消耗量第二大的材料，是現代基礎設施的基石。然而，在其制造過程中，大量的二氧化碳被釋放出來，既是水泥生產的化學副產品，也是為這些反應提供燃料所需的能量。
與混凝土生產相關的排放中約有一半來自石油和天然氣等化石燃料的燃燒，這些化石燃料用于加熱石灰石和粘土的混合物，終成為熟悉的灰色粉末，稱為普通波特蘭水泥（OPC）。雖然這種加熱過程所需的能量終可以用可再生太陽能或風能產生的電力代替，但另一半排放是材料本身固有的：當礦物混合物被加熱到1，400攝氏度（2，552華氏度）以上的溫度時，它經歷了從碳酸鈣和粘土到熟料（主要由硅酸鈣組成）和二氧化碳的混合物的化學轉化 - 后者 逃到空中。
當OPC在混凝土生產過程中與水，沙子和礫石材料混合時，它會變成高堿性，為碳酸鹽材料形式的二氧化碳的封存和長期儲存創造了看似理想的環境（該過程稱為碳酸化）。盡管混凝土具有從大氣中自然吸收二氧化碳的潛力，但當這些反應通常發生時，主要是在固化混凝土中，它們既會削弱材料，又會降低內部堿度，從而加速鋼筋的腐蝕。這些過程終會破壞建筑物的承載能力，并對其長期機械性能產生負面影響。因此，這些緩慢的后期碳酸化反應可能在幾十年的時間尺度上發生，長期以來一直被認為是加速混凝土劣化的不良途徑。
“這些后固化碳酸化反應的問題在于，”Masic說，“你破壞了膠結基質的結構和化學性質，而膠結基質在防止鋼腐蝕方面非常有效，從而導致降解。
相比之下，作者發現的新二氧化碳封存途徑依賴于在材料凝固之前在混凝土攪拌和澆筑過程中非常早期地形成碳酸鹽，這可能在很大程度上消除材料固化后二氧化碳吸收的不利影響。
新工藝的關鍵是添加一種簡單、廉價的成分：碳酸氫鈉，也稱為小蘇打。在使用碳酸氫鈉替代品的實驗室測試中，研究小組證明，在這些早期階段，與水泥生產相關的二氧化碳總量中高達15%可以被礦化 - 足以顯著減少材料的全球碳足跡。
“這一切都非常令人興奮，”Masic說，“因為我們的研究通過在生產和鑄造過程中結合二氧化碳礦化的額外好處，推進了多功能混凝土的概念。
此外，通過形成以前未描述的復合相，由此產生的混凝土凝固速度更快，而不會影響其機械性能。因此，這一過程使建筑行業更加高效：可以更早地拆除成型工程，從而減少完成橋梁或建筑物所需的時間。
這種復合材料是碳酸鈣和硅鈣水合物的混合物，“是一種全新的材料，”Masic說。“此外，通過它的形成，我們可以將早期混凝土的機械性能提高一倍。然而，他補充說，這項研究仍然是一個持續的努力。“雖然目前尚不清楚這些新階段的形成將如何影響混凝土的長期性能，但這些新發現表明碳中和建筑材料的發展前景樂觀。
雖然早期混凝土碳化的想法并不新鮮，并且有幾家現有公司目前正在探索這種方法，以促進混凝土澆筑成所需形狀后的二氧化碳吸收，但麻省理工學院團隊目前的發現強調了這樣一個事實，即混凝土封存二氧化碳的預固化能力在很大程度上被低估和利用不足。
“我們的新發現可以進一步與開發低碳足跡混凝土外加劑的其他創新相結合，為建筑環境提供更環保甚至負碳的建筑材料，將混凝土從問題轉變為解決方案的一部分，”Masic說。
這項研究得到了麻省理工學院混凝土可持續發展中心的支持，該中心得到了波特蘭水泥協會和混凝土研究與教育基金會的贊助。
