混凝土过去是、现在是、并且将继续是一种关键的结构材料——我们如何才能克服它的缺点？

具体限制

在过去的几十年里，混凝土已成为建筑业的主要材料，尤其是在人口密集的城市环境中。由于其成本低、易于使用和可扩展性，混凝土已逐渐取代砖块、石材和木材。

但它并非没有问题。

可持续发展

首先，从资源消耗来看，它远非可持续产品。它消耗了大量的沙子，以至于有人描述说 世界“沙子快用完了”.

来源: 视觉资本家

水泥的生产也是一项能源密集型活动。水泥的生产几乎完全由化石燃料提供动力，导致 水泥生产占全球二氧化碳排放量的 8%.

这可以与汽车和货车的二氧化碳排放量进行比较， 占全球排放量的 10%。因此，使混凝土更具可持续性，其影响力将不亚于将世界上所有的汽车都变成电动汽车，并且只使用绿色能源为其提供动力。

耐用性

如果混凝土建筑能够持续数百年，至少我们可以认为沙子的消耗和二氧化碳的排放是一劳永逸的事情，而建筑物在此之后仍能长久屹立。

但事实并非如此。如今，钢筋混凝土建筑占了建筑总量的绝大部分， 平均寿命只有50-100岁然后需要将它们彻底摧毁，将废墟运走并埋在某处，然后从头开始重建。

新混凝土技术

如此高的环境成本和缺乏耐久性意味着混凝土需要改进。当然，理论上我们可以完全恢复使用石头、粘土和木材作为建筑的基本材料。然而，混凝土的实用性和低成本使其很难取代建筑师首选材料的地位。

移除钢材

现代混凝土耐久性低的罪魁祸首是插入其中的钢筋（钢筋）。钢筋通过从根本上提高混凝土的抗拉强度（抵抗拉伸或拉伸的能力），提供了重要的结构优势。

问题在于，钢铁（主要由铁制成）最终会生锈。生锈时，钢铁会膨胀，导致周围的混凝土开裂。这通常被称为混凝土癌，这也是钢筋混凝土寿命有限的原因。

来源: 美国海军悉尼

石墨烯混凝土

随着我们发明新材料，新的解决方案可以应用于混凝土。通过在混凝土中添加石墨烯， 一种特殊的二维材料, 弗吉尼亚大学的研究人员成功提高了混凝土的性能，同时使其更加耐用并减少了碳排放s.

该论文发表在《建筑工程杂志》上，标题为“可印刷石墨烯增强水泥基复合材料与石灰石和煅烧粘土的流变、机械和环境性能设立的区域办事处外，我们在美国也开设了办事处，以便我们为当地客户提供更多的支持。“

他们重点关注了 3D 打印方法中使用的混凝土，我们在“在北美，拥有住房比以往任何时候都更加令人望而却步——3D 打印能否改变这一现状？“。

与传统的可打印混凝土混合物相比，石墨烯增强型 LC2 混凝土可减少约 31% 的温室气体排放。这是因为他们没有使用钢铁（钢铁本身在生产时会产生大量碳排放），而是使用了由纯碳制成的石墨烯。因此，至少在加固部分，这种新混凝土可以捕获碳，而不是排放碳。

尽管水泥部分同样是一个碳密集型过程，但这是一个良好的开端。

而且由于石墨烯更加稳定，不会氧化（生锈），这种混凝土应该不会引发混凝土癌。如果最终建成的建筑物使用寿命更长，那么从长远来看，排放量将大大减少。

麻钢筋

石墨烯等先进材料可能不是唯一的选择。这是好事，因为目前石墨烯价格相当昂贵，这可能会阻碍这些高性能、低排放混凝土的商业化。

大麻（非精神活性大麻植物）越来越多地用于建筑材料。经过适当加工后，它可以变成绝缘材料、小型建筑物的大麻块，甚至 半混凝土 （大麻+混凝土）。

来源: 2050材料

它还可以制成混凝土钢筋，形式为 天然纤维增强热塑性 (NFRT) 复合钢筋或麻筋，将麻绳与热塑性套管混合。

来源: CASE

由于大麻是一种植物纤维，因此它具有碳负性，可以锁定大气中的碳。而且大麻还非常耐用且不易燃。

自愈混凝土

并非所有混凝土都只能使用几十年。有些混凝土实际上足够坚固，可以持续数千年，可以追溯到罗马帝国。例如，著名的万神殿是世界上最大的非钢筋混凝土穹顶，建于公元 128 年。

第一个关键是，这种混凝土结构没有使用任何钢筋。它们也是 使用火山岩和火山灰等特殊材料，使混凝土具有一定程度的自我修复能力.

因此，虽然它可能不是完全可扩展的，由于火山岩并不像沙子那么丰富，但对于许多并不真正需要钢筋并且不太可能需要重建的建筑来说，它可能是一种选择。

加热混凝土

除了腐蚀之外，另一个可能损坏混凝土建筑的因素是冬季的冻融循环。每次水结冰时都会膨胀，导致混凝土碎裂或产生裂缝。随着时间的推移，这种情况可能会加剧损坏。

在“自热混凝土可以帮助我们的道路、含水层和钱包”，探索了如何将低温相变材料（PCM）融入石蜡微胶囊中并直接混入混凝土中。

这有助于在 0°C 左右的温度下保持混凝土无霜，并减少冬季道路维护需求。

无碳水泥

水泥的碳排放量几乎与汽车一样高，需要进行重大改进以减少或完全消除相关的碳排放，但这说起来容易做起来难。

绿色能源

由于水泥生产需要大量的热量，我们需要开发电力或热力替代品来替代化石燃料窑炉和煅烧炉。

这不一定是一个非常复杂的技术任务，但看到整个行业改变他们的设备并采用这项新技术需要时间。

此外，以化石燃料为基础的工业生产过程中的电力替代品的环保程度取决于其使用的电力。因此，稳定供应无碳电力也是必需的。

石灰石相关排放

消除水泥生产过程中碳排放的一个大问题是，并非所有排放都来自能源消耗。如果是这样的话，只需使用绿色电力将石灰石加热成水泥就足够了。

但作为水泥基本原料的石灰石本身也是二氧化碳的排放源，仅次于 这个公式 （其中 Δ=热量）：CaCO3 + Δ → CaO + CO2，此过程称为煅烧。

但也存在一些替代方案：

• 替代石灰石：Brimstone 公司提议通过使用硅酸钙代替碳酸钙（石灰石）来制造无碳水泥。
  • 由于硅酸钙是一种非常丰富的矿物，因此这主要是一个开发技术并使其具有商业竞争力的问题。
• 碳捕获：目前，大多数水泥生产设施都使用基于化石燃料的煅烧炉和石灰石，捕获排放可能比避免排放更容易。
  • 第一个以此方式生产水泥的试验工厂已在挪威投入运营 并可成为效仿的典范。

可持续水泥公司

作为全球领先的水泥生产商之一，CRH 将帮助水泥建筑行业成为更具可持续性的行业。该公司在美国和欧洲市场的建筑材料供应总量中排名第一。

该公司业务遍及 28 个国家/地区的 3,390 个地点，拥有 78,500 名员工，其中 CRH Americas 占其 65 年全球销售额的 2023%。

该公司预计西方政府在基础设施方面的大力投入将有助于其业务增长。再工业化和高科技制造业在岸化的趋势也应会有所帮助。

可持续发展

CRH 通过一系列举措在可持续发展方面取得了重大进展：

• 它是北美最大的回收商，1 年回收了 43.9 万吨来自其他行业的废物和副产品。
• 由于其水泥厂使用 2% 的替代燃料，该公司的二氧化碳排放量在 8 年减少了 2023%。
• 其目标是到 30 年将排放量减少 2030%（与 2021 年的排放量相比）。

这本身是值得称赞的，但可能被认为为时已晚。

幸运的是，CRH 也是推动行业发生更多根本性变化的驱动因素。值得注意的是， 它与欧洲混凝土巨头 Holcim 联手向低碳水泥公司 Sublime 投资了 75 万美元.

崇高系统 2020 年从麻省理工学院分离出来，利用电解器在常温下生产水泥，取代能源和化石燃料密集型窑炉。它还能够使用钙源作为输入材料，避免石灰石输入释放二氧化碳。

Sublime 位于霍利奥克的首个商业工厂预计最早将于 2026 年开业。如果证明成功，它将成为水泥行业的真正游戏规则改变者，并为可扩展的低排放混凝土开辟道路。

“Sublime 是水泥制造领域的一股颠覆性力量。其独特的技术贯穿整个生产过程，从使用清洁电力到无碳原材料。我们对它的潜力感到兴奋，并很高兴能够合作将其大规模推向市场。这项投资完全符合 Holcim 通过扩大最具创新性的技术来加速建筑脱碳的战略。”

Nollaig Forrest 官员 – Holcim 的首席可持续发展官

CRH 还投资了其他脱碳和可持续发展初创企业：

• 23.7亿欧元 酷星球科技，为传统上难以脱碳的行业开发碳捕获解决方案。
• CRH 和其他投资者投资 34.7 万美元 碳升级技术使用全电矿化解决方案将二氧化碳永久储存在工业副产品和矿物中，如水泥、塑料、消费品、肥料和药品。
• 艾克里特这是一个“配方即服务”平台，与当地混凝土生产商合作，优化当地材料，并通过人工智能分析最大限度地减少水泥的使用量，从而减少二氧化碳排放量和混凝土生产成本。
• FIDO AI 的 B 轮融资是一家利用 AI 来减少水消耗、增加节水的初创公司。

总体而言，CRH 是混凝土行业的盈利领导者，并且非常积极地为行业脱碳做准备，既直接在现有设施中，也作为创新初创企业的主要资本提供者，创造下一代水泥和混凝土生产技术。