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文献速读 Nature重磅Comment：300亿吨混凝土的可持续发展路径  题目 We use 30 billion tonnes of concrete each year — here’s how to make it sustainable 我们每年使用300亿吨混凝土--如何实现其可持续发展 来源 出版年份：2025年 来源：Nature 文章类型：Comment 第一作者/通讯作者：同济大学绿色建造研究中心/广西大学双碳科学技术研究院 肖建庄教授 前言 混凝土因其成本低廉、强度高且用途广泛，成为全球消耗量仅次于水的第二大材料，年使用量达300亿吨。混凝土生产过程不仅能耗巨大，还贡献了超过7%的人为CO2排放量，其中水泥生产占据绝对比重。混凝土原材料开采同样存在环境问题。例如，全球每年约开采500亿吨砂石和50亿吨以上石灰岩，导致栖息地丧失、水土流失及环境污染。随着全球混凝土市场持续扩张，这些生态影响将日趋严重。 为实现可持续发展，建筑业亟需通过降低碳排放、提高资源能源利用率实现转型。2023年迪拜联合国气候峰会，由45国领导人共同发起的"水泥与混凝土突破倡议"中，计划以2020年为基准，到2030年将生产每吨水泥的碳排放减少约20%。实施路径包括推广替代燃料和替代水泥基材料、提升建筑材料使用效率以及部署碳捕集与封存技术。 单纯实现碳减排目标虽可实现，但实现混凝土行业可持续发展需要更系统的战略规划，其终极目标应设定为碳中和与100%再生材料利用（如图1所示）。  图1 实现混凝土碳中和路径 主要内容 本文阐述了“碳中和混凝土”战略的核心要素体系，探讨了通过减少熟料与水泥用量、发展再生混凝土及碳封存技术、结合政策协作推动建筑行业2050年实现净零碳排放目标。具体如下： （1）减少熟料用量 降低混凝土中水泥熟料用量是实现碳减排的重要途径。部分熟料可采用能耗更低的替代材料（例粉煤灰、粒化高炉矿渣、玻璃、砖块以及再生混凝土等）替代。然而，现行《中国通用硅酸盐水泥标准》（GB 175-2020）和《欧洲水泥标准》（BS EN 197-1 2011）仅允许传统水泥中最多以20%粉煤灰或矿渣替代熟料。在保证建筑性能的前提下，通过技术革新可进一步提高替代比例。及时修订标准以反映最新技术进展，对促进替代材料的广泛应用至关重要。以石灰石煅烧粘土水泥（LC3）为例，其通过使用煅烧粘土、石灰石以及石膏替代50%的熟料，在保证性能达标的同时实现CO2减排40%。LC3已得到许多国际水泥巨头（如瑞士Holcim公司以及德国Heidelberg Materials公司）应用，其应用的典型案例包括瑞士驻新德里大使馆建筑。 针对减少熟料用量，未来需重点开展以下4点工作：1）系统研究不同粘土矿物特性并优化煅烧工艺，确保材料均质稳定；2）建立多环境条件下的长期耐久性评估体系；3）通过大规模工程试验验证生产工艺可行性；4）加快制定相关技术标准，并加强产业链各环节的技术协同。 （2）减少水泥用量 减少水泥用量是另一重要减排策略。传统混凝土体系中，普通硅酸盐水泥（OPC）浆体体积占比通常约为30%。减少水泥用量会增加混凝土硬度，导致其和易性下降。然而，基于颗粒级配优化理论的研究表明，通过精密调控骨料堆积密度，水泥浆体体积可降至18%~20%，且不影响材料性能。2023年瑞士国家科学基金会支持的“超绿色混凝土”项目提出更具突破性的目标，即借助先进高密实骨料堆积技术结合现代高效减水剂，将浆体体积占比进一步降低至13%。该技术突破需克服两个关键障碍：1）需打破“浆体用量与强度正相关”的传统认知误区；2）需通过试验验证密实堆积混凝土的长期耐久性和和易性。此外，大数据与人工智能技术相融合为混凝土可持续设计提供了新范式。现行标准体系过度依赖28d抗压强度作为核心性能指标；而基于计算机模拟的多维度性能预测模型能够突破时间维度限制，通过构建材料-性能-时间的多维映射关系，为混凝土全生命周期性能优化提供科学依据。 （3）减少传统混凝土用量 通过延长服役寿命、优化结构设计与应用3D打印等先进建造技术降低混凝土用量，是减少碳排放与材料消耗的多元路径。具体而言，可针对工程需求定制混凝土配方以减少冗余消耗，如研发泡沫混凝土、高掺量再生骨料混凝土等新型建筑材料；推行旧混凝土构件破碎再生技术，将其作为骨料掺入新拌混凝土实现循环利用；引入纤维增强复合材料与钢套管等新型结构补强技术，在降低混凝土用量的同时提升结构性能。值得注意的是，建筑全生命周期CO2排放控制需统筹施工与运营阶段。尽管建造过程能耗显著，但通过优化建筑热性能可大幅降低运营能耗。例如，采用轻质骨料、蜂窝结构或复合材料的混凝土构件可显著提升建筑围护结构保温隔热性能。建筑由此可配置更小型化、更高能效的暖通空调系统。此外，将光伏技术集成于混凝土构件是实现建筑产能一体化的前沿方向，但目前仍面临诸多研究挑战。具体包括：光电转换效率优化、制造过程质量控制、材料劣化、环境影响以及废弃后回收利用等问题。推进上述技术的实际应用需要材料科学家、工程师与建筑师之间的深度协作。 （4）混凝土碳封存技术 通过工程化设计可使混凝土在制造、养护、服役及再生阶段实现碳捕集与封存。研究表明，混凝土材料碳矿化技术可减少水泥熟料生产过程中15%的CO2排放量，理论上碳减排潜力可达近60%。然而，现阶段部分碳矿化技术成本相较于传统产品及其他碳捕集方法仍较高。相较于OPC制备的混凝土砌块，碳化混凝土生产成本高约35%，每吨碳减排成本达161欧元（约合166美元）。这极大地制约了碳矿化技术的规模化应用。将生物质富碳或负碳材料（如生物炭）掺入混凝土可抵消碳排放。尽管生物质材料在理化性质方面常与混凝土存在相容性难题，但通过人工骨料设计可有效解决界面适配问题。此外，随着绿色屋顶与垂直绿化系统在建筑设计中日益普及，此类生态技术不仅可增强建筑固碳能力，更为城市可持续发展提供多维解决方案。未来开发具有人工光合作用功能的混凝土材料，或将引领新一代可持续建筑材料的创新方向。 （5）再生混凝土 实现基于自然资源且碳足迹趋近于零的再生混凝土体系虽具挑战性，但在混凝土全生命周期中协同推进该策略仍具有可行性。具体实施路径包含4个维度：1）将混凝土构件设计为标准化预制模块，采用机械连接取代传统现浇粘接工艺，确保建筑拆除时构件可完整分离并再生利用。该理念在新加坡、香港等地已得到实践，但目前主要着眼于降低人力成本。未来需系统研究可拆卸设计、废弃物最小化、可再生材料选择以及预制构件等要素，并在设计初期纳入考量。值得注意的是，虽然拆卸和回收混凝土可能降低全生命周期成本，但此类技术通常会增加初期建造成本。2）发展精准拆除工艺以保持结构完整性，以便于分类回收。受损构件需通过分类、破碎、研磨和筛分等工艺，制备不同粒径的再生骨料与粉体材料。重点突破智能破碎技术，生产具有最佳堆积密度的多级配再生骨料。3）建立严格的再生材料质量控制体系。经过数十年研究，再生骨料混凝土已在工程实践中形成技术标准。例如，2016年参与建设的上海某12层剪力墙钢筋混凝土框架结构，含30%再生粗骨料的混凝土性能经测试与邻近的基准建筑相当，验证了工程可行性。4）开发最大化回收再生混凝土配方，终极目标应为实现全再生混凝土——即100%再生骨料与100%再生微粉（源自破碎废弃混凝土）协同应用。当前研究聚焦于提升惰性再生微粉的火山灰活性，通过化学激发等技术使其能够有效替代水泥熟料。 总之，推进再生混凝土技术需构建长期性能监测体系，研发专用外加剂，并完善全产业链标准。政府层面需通过政策激励与公共教育（例如“限塑令”推行的公众教育模式），逐步提升社会认知度和接受度。 （6）政策与实践 实现净零混凝土愿景需供应链全环节协同合作。政策制定者与产业链各主体需密切合作，并通过专业培训提升从业人员对净零混凝土技术体系的理解，确保技术路径有效实施。《突破议程报告》对于推动水泥与混凝土行业净零转型所需的政策与实践变革至关重要。过去一年，随着CO2排放测量方法的进步，行业在定义低CO2排放建材方面已取得阶段性进展。全球水泥与混凝土协会与联合国工业深度脱碳倡议联合着手构建标准定义框架。德国水泥协会等机构则开发了相关认证体系。然而，净零混凝土的国际共识标准尚未完全确立。2025年应完成三项关键任务：1）确立低CO2排放水泥与混凝土的标准定义；2）建立国际认证体系；3）完善碳排放计量标准。通过全球水泥与混凝土协会与联合国工业深度脱碳倡议等平台深化国际合作尤为重要。同时，推行基于性能的设计标准体系，以提升材料利用率并支撑深度脱碳进程。净零混凝土不仅限于碳中和目标，更需降低能耗和资源消耗。未来政策制定应秉持整体性策略，确保建筑行业可持续发展 小结 本文探讨了推动混凝土行业实现净零排放的综合性策略，核心路径包括减少水泥熟料用量（推广LC3水泥、采用工业固体废弃物替代传统熟料）以及优化混凝土性能（降低水泥含量、机器学习指导混凝土设计、开发功能化混凝土等）。此外，碳封存技术（碳矿化技术、应用生物炭）和研发再生混凝土是混凝土实现净零排放的关键举措。另外，本文强调需通过国际合作完善标准认证，结合政策激励与产业链协作，目标于2050年实现净零排放，确保建筑行业向可持续方向转型。 |
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