研究人员开发出负碳混凝土

诸平

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全球变暖对人类社会的可持续性构成威胁，必须找到一种可持续和有效的策略来减少人为的二氧化碳排放。生物炭（biochar）是由各种原料(如生物质)热解产生的，最初用于农业，在稳定和储存二氧化碳方面显示出巨大的潜力。近年来，生物炭在混凝土中的应用越来越多，这可能有助于混凝土工业的脱碳。然而，大多数研究将生物炭在胶凝材料中的使用限制在水泥重量的5%或更少，远未实现碳中和。否则，胶凝材料的机械强度的降低是相当可观的。尽管最近在生物炭实现碳中性/负碳混凝土方面取得了进展，但仍有几个技术障碍有待解决，包括生物炭强度弱、生物炭与胶凝基质之间的界面过渡区(interfacial transition zone简称ITZ)差、生物炭改性胶凝复合材料的性能低于规定标准。据美国华盛顿州立大学（Washington State University简称WSU）2023年4月18日提供的消息，该校的研究人员开发出了一种可行的负碳环保混凝土配方（Researchers develop carbon-negative concrete），其强度几乎与普通混凝土一样。

在一项概念验证工作中，研究人员将环保的生物炭（biochar）注入普通水泥，生物炭是一种由有机废物（organic waste）制成的木炭，事先用混凝土废水进行强化。这种生物炭能够从空气中吸收相当于自身重量23%的二氧化碳，同时仍能达到与普通水泥相当的强度。

混凝土行业是所有制造业中能源和碳密集度最高的行业之一，这项研究可以显著减少混凝土行业的碳排放。这项研究由博士生李志鹏（Zhipeng Li音译）领导，于2023年4月10日已经在《材料通讯》（Materials Letters）杂志网站发表——Zhipeng Li, Xianming Shi. Towards sustainable industrial application of carbon-negative concrete: Synergistic carbon-capture by concrete washout water and biochar. Materials Letters, 2023, 342: 134368. DOI: 10.1016/j.matlet.2023.134368. 1 July 2023, https://doi.org/10.1016/j.matlet.2023.134368

在本研究中，研究人员首先提出使用高碱性混凝土冲洗水(highly-alkaline concrete washout water, CW)预处理多孔生物炭，然后利用它们的协同作用(CW中的碱和钙与生物炭的高孔隙度)捕获CO₂。这种方法将碳酸盐沉淀到生物炭上，从而有效地解决了上述生物炭改性胶凝复合材料的性能低于规定的障碍，机械强度测试和微观研究证明了这一点。

“我们非常兴奋，这将有助于实现零碳建筑环境的使命，”华盛顿州立大学土木与环境工程系（WSU Department of Civil and Environmental Engineering）教授、该论文的通讯作者史贤明(Xianming Shi音译)说。

全球每年生产的混凝土超过40亿吨。制造普通水泥需要高温和燃料燃烧。生产过程中使用的石灰石也会经过分解产生二氧化碳，因此水泥生产被认为占全球人类活动碳排放总量的8%左右。

研究人员曾尝试添加生物炭作为水泥的替代品，以使其更环保并减少碳足迹（carbon footprint），但即使添加3%的生物炭也会大大降低混凝土的强度。在混凝土冲洗废水中处理生物炭后，华盛顿州立大学（WSU）的研究人员能够在他们的水泥混合物中添加高达30%的生物炭。由生物炭改性水泥制成的膏体在28天后能够达到与普通水泥相当的抗压强度(compressive strength)，约为每平方英寸4000磅(4000 psi)。

史贤明说：“我们致力于寻找新的方法，将废物流转化为混凝土的有益用途;一旦我们确定了这些废物流，下一步就是看看我们如何挥动化学魔杖，把它们变成一种资源。真正的诀窍在于界面工程，你如何设计混凝土中的界面。”

腐蚀性混凝土冲刷水（caustic concrete washout water）是混凝土生产过程中产生的一种有问题的废弃物。史贤明说，这种废水的碱性很强，但也是钙的宝贵来源。研究人员使用钙来诱导方解石（calcite）的形成，这有利于生物炭的形成，并最终形成含有生物炭的混凝土。

他说:“大多数其他研究人员只能添加3%的生物炭来代替水泥（replace cement），但我们正在展示使用更高剂量的生物炭，因为我们已经找到了如何设计生物炭表面的方法。”

含有大量钙的高碱性废水和高度多孔的生物炭之间的协同作用，意味着碳酸钙（calcium carbonate）沉淀在生物炭上或进入生物炭中，强化了生物炭，并允许从空气中捕获二氧化碳。由这种材料制成的混凝土预计将在混凝土的使用寿命内继续吸收二氧化碳（carbon dioxide），混凝土的使用寿命通常在路面上使用30年，在桥梁上使用可长达75年。

为了使这项技术商业化，研究人员一直在与商业化办公室（Office of Commercialization）合作，以保护知识产权（intellectual property），并已就其负碳混凝土工作提交了临时专利申请。

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Abstract

This study demonstrates a synergistic carbon-capture strategy, i.e., using concrete washout water and biochar together to achieve carbon-negative concrete. This strategy enabled the biochar to capture 22.85 wt% air-borne CO₂, which precipitated calcium carbonate onto the biochar. This carbon-negative cement paste consisted of 30 wt% CO₂-weathered biochar and 70 wt% portland limestone cement, which achieved the 7-day and 28-day compressive strengths of 22.1 MPa and 27.6 MPa, respectively. Microscopic investigation revealed the mechanisms underlying the enhanced strengths of such concrete.