更好的水泥，更好的钢铁
仅混凝土和钢材就造成了全球每年约 20% 的碳排放。现在有哪些混凝土和钢材的创新实现了低碳？
Sam Chen 是ARUP 墨尔本办公室的材料工程师。他介绍了水泥是一种传统同时也很现代的建材。波特兰（硅酸盐）水泥有170年的历史，对于建筑业的现代化发挥了重要的作用。混凝土是全球第二大人工制造产品（第一大人工制造产品是自来水），全球每年生产750亿吨的混凝土，产生的二氧化碳排放占全球总排放的8%。混凝土不但产生了大量二氧化碳排放，也消耗了大量的能源，也消耗了大量的自然资源。
来源：Sam Chen 的演讲稿，后文不再赘述
混凝土的隐含碳主要来源于生产的过程，交通运输以及施工也会产生碳排放。澳大利亚温室气体研究办公室曾发布了一份报告，计算了混凝土在生产、运输以及施工的过程中产生的二氧化碳排放，混凝土的生产过程排放了大约98%的二氧化碳，而交通运输和现场施工产生了近2%的排放。在各类原材料中，水泥的排放量最大，生产一吨的水泥就会产生0.82吨的二氧化碳，这是粉煤灰的30倍。因此减少混凝土的碳排放就需要减少水泥的排放。当然我们这里没有展示钢筋混凝土的碳排放，钢筋所占的碳排放大约占到钢筋混凝土总排放的10-20%。
为了减少混凝土的碳排放，我们需要制定大胆的并且可以实现的减排目标。《巴黎协定》要求至2030年减少40%的碳排放，ARUP则设定了目标至2030年实现零碳排放。为了实现这一目标，我们需要使混凝土变得更加低碳以及对环境友好。今天将介绍三种实现方法：
第一种方法， 减少水泥的使用，我们可以采用多种替代材料，可以称为辅助胶凝材料（supplementary cementitious materials），其中主要的材料包括粉煤灰、矿渣、硅粉、偏高岭土、天然火山灰、煅烧天然火山灰、石灰石和稻壳灰。
粉煤灰，来自于电厂发电燃烧煤时产生的副产物，通常可以在混凝土中代替20-30%的水泥。
矿渣，来源于高炉炼铁时的炉渣，可以替代30-70%的水泥，具体取决于混凝土的品质。
硅粉，是硅产业的融化过程中的副产物，通常在高强度的混凝土中应用，一般占5-10%的比例，因为硅粉会影响混凝土的施工状况。
以上三种是最常见的水泥替代品。
偏高岭土，也是很常见的替代材料，它是特殊的粘土经过高温500-800摄氏度的煅烧的产物，它能够提升混凝土的性能，在替代水泥时大约占比20-30%。
天然火山灰和煅烧天然火山灰，通常来源于天然矿物以及火山喷发的产物，一些天然矿物需要进行煅烧，高温将矿物质转化成火山灰。
石灰石可以研磨成粉末，作为不活跃的填充成分，替代10%的水泥。
稻壳灰是一种生物材料，在生产大米的国家具有潜力，例如东南亚国家、中国和美国，也可以作为水泥的替代成分。
在澳大利亚，通常认为25%水泥替代是较好的实践，但是替代水泥的最大潜力可以达到65-75%，如果利用上述材料实现了65%水泥替代，可以减少45%的碳排放。当然利用替代材料也可以提升混凝土的耐久性。
第二类方法，采用非原始材料。混凝土可以利用废弃材料作为原料，例如制造业沙粒、回收的混凝土、玻璃和塑料。
制造业产生的沙粒可以替代50%的河沙，世界上很多地区缺少河沙，例如悉尼。
通常在混凝土中可以使用30%的回收混凝土，目前在新加坡的应用较多。
回收的玻璃可以作为细骨料，可以代替10-20%的骨料。
回收的塑料也可以作为纤维增强材料，可以减少钢筋的用量。
然而使用回收材料并不一定意味着隐含碳排放会降低，因为处理这些废弃材料也会产生碳排放，但使用非原始材料对于环境很有益处。
第三类方法是聚合物混凝土（Geopolymer Concrete），聚合物混凝土不需要使用水泥，而需要粉煤灰和催化剂。
催化剂可触发化学反应，提升强度，有时也会加入矿渣和水泥以提升特定的性能。这类混凝土叫做聚合物混凝土，因为产生了水合作用并形成了3D结构。聚合物混凝土的性能类似于传统混凝土，如果设计合理，几乎没有什么性能差异。在海洋环境中，性能会比传统的混凝土更好。在碳排放方面，以粉煤灰为主要原料的聚合物混凝土的碳排放仅为传统硅酸盐水泥产生的混凝土排放的10-20%。
以上的三种方法的实践性很强，也比较成熟。为了实现零碳建筑环境，我们需要采取行动：
准备阶段
需要设定大胆的目标，也需要熟悉当地市场和供应链，并与供应商、业主、建筑师、工程师等进行沟通。
实施阶段
优化设计，优化结构以及混凝土设计，同时需要进行混凝土的测试，在成功实践的基础上，获得业主以及当地建设部门的批准，最终优化混凝土质量规格文件。
完成阶段
追踪混凝土的碳排放，共享经验和知识，努力使得低碳混凝土成为广泛实践。
当然混凝土的耐久性也非常的重要，因为碳减排需要考虑全生命周期，混凝土既需要实现可持续性，也需要满足耐久性。因此混凝土的设计需要平衡这两个特性。
下期将介绍低碳钢铁，欢迎关注
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