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文献精读 Nat. Commun. ：用次生材料替代水泥可减少全球每年高达13亿吨的二氧化碳排放量  背景介绍 在现如今所有使用的材料中，水泥是最重要的，在未来的发展趋势、城市化和人口增长的驱动下，水泥的重要地位在未来很可能保持不变。水泥主要成分是硅酸盐水泥熟料（通常与硫酸钙等物相结合，以控制其反应活性），与水混合后，在混凝土或砂浆中形成胶凝物质。混凝土和砂浆广泛用于建筑和基础设施，包含从地球提取所有材料的约46%，使得水泥生产年排放二氧化碳约40亿吨，占所有人为二氧化碳排放量的7-8%，是仅次于电力和钢铁的第三大难以消除的碳排放源。除碳排放外，混凝土和砂浆的生产造成全球超过3%的能源需求，超过5%的人为PM10排放和约2%的全球取水量。这些环境影响可能通过各种技术措施来降低，其中胶凝材料替代是最有前景的措施之一。粘结剂（包括水泥及其组分）的替代尤为重要（图1），因为胶凝材料循环中的大部分环境影响来自熟料生产，同时替代可为工业副产品的环境、技术和经济效益处理提供机会，且用钢铁、砖块、木材等非胶凝材料广泛替代水泥的可能性不大。  图 1 熟料和水泥替代的概念表征：在水泥基粘结剂中的替代以及在砂浆和混凝土中的替代，以几种重要方式与更广泛工业体系联系在一起；g熟料可由来自（a）矿物、（b）建筑工程、（c）农业、（d）林业、（e）金属和（f）能源部门的次生胶凝材料替代 研究出发点 尽管在产品尺度（1 kg水泥）上存在大量涉及熟料高达100 %的替代案例，但这些技术在市场尺度（全国性和全球性、全行业性）上降低环境影响的潜力尚不清楚。因此，可通过更多地使用原生和次生胶凝材料来提高熟料替代率。石灰石和高岭土等原生胶凝材料在全球范围内储量丰富，在水泥中国际标准化含量分别高达35%和55%。然而，可替代水泥或胶凝材料中熟料的次生胶凝材料潜在供应尚未见系统报道，扼杀了技术的发展和采用。 全文速览 英国帝国理工学院Rupert J. Myers课题组系统和定量地综述了次生胶凝材料潜在全球供应及其温室气体减排效益，分析涵盖占全球水泥产量约70%的国家，并包括最广泛使用的、具有较高潜力的关键次生胶凝材料，以期指导水泥技术朝着更低熟料含量的方向发展。相关论文以“Cement substitution with secondary materials can reduce annual global CO2 emissions by up to 1.3 gigatons”为题，于2022年发表在Nature Communications上。 图文解析 水泥产量在过去20年中增长了一倍多，从2002年的18亿吨增长到2018年的40.5亿吨（图2），主要归因于中国的社会经济发展（从6.4亿吨增长到22亿吨）。这一增长速度快于次生胶凝材料总生成量的增长，2002-2018年产量从17.4亿吨增加到34.8亿吨，主要原因是两种主要次生胶凝材料（即粉煤灰和粒化高炉矿渣）的产生增速降低（从4.4亿吨到7.0亿吨）。因此，在2002年至2018年期间观察到稳定的约0.75熟料-水泥质量比表明，粉煤灰的使用更加完全，并且越来越多地使用其他胶凝材料来替代熟料，特别是石灰石等原生胶凝材料。  图 2 水泥的全球生产和次生胶凝材料的生产量 最近，利用原生胶凝材料特别是高岭土引起了极大关注。而其作为水泥替代品所带来的环境效益至少在两个方面受到限制：热处理和取代程度受水泥体系整体工作性及化学性能限制。数据（图2）表明，次生胶凝材料在理论上可以实现全球平均熟料与水泥质量比约为0.14，即减少水泥中61%的熟料。然而，在无碱激发情况下，逐步降低熟料与水泥的质量比越来越困难，说明在粘结剂中使用的是碱性水溶液而非水。碱激发材料可在不使用熟料的情况下生产，但需要大大增加碱激发剂的生产速率，以便在工业规模上替代传统的硅酸盐水泥。碱激发剂的采用是主要障碍，特别是考虑到其他行业对其的需求。 在实践中，运输成本是水泥生产中原料采购的一个关键限制因素。长距离运输也伴随着温室气体排放的增加。将图2中全球生成次生胶凝材料的数据分解到国家层面（图3），以表明其在当地/区域水泥市场上相对于需求的实际潜在供应。许多国家可以产生与其国家水泥生产量相近或更大累积量的次生胶凝材料。几乎所有最大水泥生产商都可以生产超过其水泥产量50%的次生胶凝材料。而中国、菲律宾和埃及生产的水泥高于其国内潜在的次生胶凝材料总产量（分别为1.9、1.7和3.3倍），故这些国家在不进口的情况下只能部分替代熟料。总体而言，次生胶凝材料可大幅减少许多国家的熟料需求。作为目前全球最大的熟料生产国（占2018年全球水泥产量的54%），中国改变了全球趋势。因此，尽管一些国家用次生胶凝材料替代熟料的潜力高达100%，但是理论上全球平均替代潜力为86%。要达到高替代水平，就需要使用碱活化技术。  图 3 次生胶凝材料潜在生成的地理分 在2018年全球可能产生的35亿吨的次生胶凝材料总量中，目前利用率较低，主要局限于粒化高炉矿渣和粉煤灰，表明在一些国家及其他次生胶凝材料的熟料替代潜力很大（图4）。进一步开发和应用能够有效地将废弃胶凝材料从砂浆和混凝土中分离出来的技术以及废弃胶凝材料的闭环回收技术非常重要。  图 4 几个国家的熟料对次生胶凝材料的潜在替代（2018年） 使用环境生命周期评价（LCA）说明次生胶凝材料在实现温室气体减排目标方面的作用。根据评价结果（图5）可知，通过最大限度地利用次生胶凝材料替代熟料，水泥生产的全球温室气体排放可减少高达约44%（13亿吨二氧化碳），相当于减少全球人为温室气体排放约2.8%。因此，通过使用当地可用但未充分利用的次生胶凝材料，可以实现区域胶凝材料循环及减少水泥工业中二氧化碳排放。与水泥生产相比，能够产生类似或更多数量的次生胶凝材料的国家具有较高的温室气体减排潜力。相对于中国的水泥生产，中国的再生水泥潜在供应量有限，故只能实现较低的熟料替代率。然而，由于中国水泥生产规模巨大，2018年约占全球人为温室气体排放的3.6 %，熟料替代理论上可以避免5.48亿吨二氧化碳排放。总的来说，熟料作为水泥中温室气体排放最密集的组分，增加其次生胶凝材料的替代比例可减少温室气体排放。这些温室气体减排量仅被碱活化和次生胶凝材料输送适度抵消。此外，虽然碱活化技术的使用可以实现潜在的大量温室气体减排，但会通过增加其他类别的环境影响而抵消，特别是生态毒性，其反效益可能是巨大的，需仔细考虑。  图 5 一些国家通过增加使用次生胶凝材料替代熟料和水泥来减少生命周期内温室气体排放的潜力 总结 本文研究结果表明，熟料和水泥替代在减少水泥生产温室气体排放方面可发挥比目前更大的作用，通过在全球范围内最大限度地提高次生胶凝材料的利用率，理论上可以实现高达44%的碳减排。这一目标实现但仍需要克服以下障碍：（1）制造业的转变。在加工和使用更广泛的次生胶凝材料和碱性活化剂方面需要进行扩展。由于资源供应和经济条件的可变性，这将需要制定针对新区域特定收集和生产实践的方案；（2）政策干预。由于目前只有少数几个次生胶凝材料和含次生胶凝材料材料（水泥、粘结剂、砂浆和混凝土）被列入（国际）国家水泥标准，故需要对其进行标准化。由于可行的水泥和粘结剂配方范围广泛，这些标准很可能要基于性能制定；（3）材料研发投入。许多区域可扩展的含次生胶凝材料的技术总体上很低，由于缺乏系统研究来确定其使用的适当途径，这种情况一直存在。建议对关键的碱激发材料类而非单独的混合物发展这种理解，因为尽管关键结合相大致相似，但仍有许多可行的混合物。 本文提供了在国家层面和全球范围内对次生胶凝材料生成的全面分析。采用基于性能的材料标准作为默认实践，以及它们的继续发展将支持更多的使用非常规的辅助胶凝材料。然而，基于性能的标准已经建立了二十多年，但在世界范围内未被普遍采用，这清楚地表明需要采取进一步的措施来实现其应用。这些措施可能包括：（1）在全球范围内进一步实现建筑业的工业化；（2）加大数字建造和异地构件制造的政策支持力度；（3）在设计和施工中使用建筑信息模型；（4）增加市场分割；（5）加大数字化建设的业务创新。这是因为混凝土构件的非现场制造可以大大提高对养护条件的控制。然而，这需要混凝土组分快速发展抗压强度，这对高取代复合硅酸盐水泥具有挑战性。因此，有必要研究含次生胶凝材料混凝土的性能并利用由此产生的见解来设计和优化次生胶凝材料。 本文还强调了国际贸易支持熟料替代水平提高的潜力。但是最大的水泥生产国——中国，在当地可获得的次生胶凝材料中并不能自给自足，其邻国无法供应。因此，需要采取系统方法来减少胶凝材料循环中的碳排放，考虑其与其他部门的相互配合（工业、林业、农业等作为次生胶凝材料的来源），认识到跨越多个生命周期阶段的机会和障碍，在国际上合作，以增加全球的熟料替代，并通过设计优化来提高建筑部门的材料效率，以减少对胶凝材料的总体需求。 本期编者简介 翻译： 何 闯 博士后 深圳大学 审核： 耿松源 硕士生 深圳大学 排版： 汤高翔 硕士生 深圳大学 本期学术指导 何 闯 博士后 深圳大学 龙武剑 教 授 深圳大学 文献链接： https:///10.1038/s41467-022-33289-7 |
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