從住宅和摩天大樓到藝術雕塑和人行道，混凝土無處不在，很難想像沒有它的現代世界。作為地球上使用最廣泛的人造材料，由於其能源密集型生產，它在全球碳排放中也發揮著巨大作用。這意味著，即使對我們的生產方式進行輕微調整也會對其環境足跡產生重大影響。

正如研究繼續顯示的那樣，在這個領域工作的科學家們並不缺乏想法。

混凝土作為一種建築材料已經使用了幾千年，並且至今仍非常受歡迎這是有原因的。它很便宜、很堅固、製造簡單且持續時間很長。今天，全球混凝土的使用量約為每年300億噸，預計需求量將從這裡開始增加。

混凝土的巨大碳足跡主要源於一種關鍵成分：水泥。它被添加到沙子、礫石和水中，從而形成濕的混凝土，當它們乾燥時可以被倒入模具中形成結構，但水泥的生產是該過程中碳密集度最高的部分。

它涉及使用化石燃料將石灰石和粘土加熱到極端溫度，約1400℃。這不僅需要大量的能源，而且石灰石需要從地球上提取，並在烘烤前被粉碎。這個蒸煮過程本身還會釋放出大量儲存的二氧化碳，每生產一噸水泥就有約600公斤的二氧化碳。總而言之，水泥生產佔全球碳排放的8%左右。

石灰石的替代物？

由於石灰石是水泥的關鍵成分，因此是科學家們探索更多環境友好型替代品的一個重點。去年，斯坦福大學的科學家製作了一種低碳水泥配方，他們將石灰石換成了火山岩。這種材料需要以同樣的能源密集型方式處理以形成水泥，但不包含任何會在整個過程中釋放的儲存碳。

同樣在去年，另一個有趣的方法來自德國和巴西的科學家，他們的低碳水泥配方使用了一種豐富的採礦廢料–稱為Belterra粘土，其可以取代50%到60%的石灰石。這使得更多的碳被鎖在地下，而且它還可以在較低的溫度下烘烤。雖然人們發現這種材料符合傳統水泥的性能標準，但其配方可以減少2/3的碳排放。

低碳水泥的一個特別有趣的例子是今年早些時候來自科羅拉多大學博爾德分校的科學家，他們受到了微小的微藻的啟發，這些微藻能自然地封存二氧化碳並將其轉化為碳酸鈣殼，他們將其描述為“石灰石的盔甲”。科學家們能飼養這些微藻並讓它們生產這種生物生長的石灰石，然後將其納入水泥生產以取代開采的材料。

使這項研究如此引人注目的是，由此產生的混凝土不僅看起來和表現得像普通的混凝土而且實際上可以實現碳中和，甚至是負碳。這是因為微藻捕獲更多的二氧化碳以作為生產碳酸鈣的燃料，而不是通過這一過程產生的二氧化碳。

這些科學家獲得了320萬美元的資助，從而用於擴大其生物石灰石和碳中性混凝土的生產規模。他們估計，1-2萬英畝的露天池塘將提供足夠的空間來培養滿足美國水泥需求所需的微藻類。

經久不衰的混凝土

雖然混凝土的彈性是其有吸引力的特點之一，但這並不意味著沒有改進的餘地。如當混凝土結構出現裂縫時就會導致水進入，從而大大影響其強度。這可能使它們的維護費用昂貴，甚至可能需要完全更換以防止災難性的倒塌。這間接地增加了材料的碳足跡，但也有一些有趣的解決方案在其中。

其中包括使用特殊膠水將自身的裂縫編織在一起的混凝土形式及用真菌填充裂縫的其他形式。這種自我修復的混凝土的一個版本來自伍斯特理工學院的科學家，他們使用了一種在人類血液中發現的酶，這種酶可以在混凝土成型之前被加工成混凝土粉末。

當混凝土中形成一個小裂縫時，這種酶通過跟空氣中二氧化碳的反應產生碳酸鈣晶體，然後繼續填充縫隙。在測試中，混凝土被證明能在24小時內修復自己的裂縫，科學家們預測，這項技術可以將混凝土結構的壽命延長20至80年。

科學家們尋求加強混凝土耐久性的其他方法之一–也許並不令人驚訝–就是使用世界上最強的人工材料。將石墨烯融入混凝土已被證明可以使其更加堅固和耐水，去年大家就有看到它在世界上可能採取的形狀。

曼徹斯特大學的Concretene的特點是在水和水泥中加入極少量的石墨烯用來作為機械支持並促進化學反應以將混合物變成混凝土。其結果是，混凝土具有更強的粘結力，強度提高了約30%。去年，這種材料被澆築成世界上第一個石墨烯增強的混凝土板，工程師將在那裡監測其性能。

他們的想法是，由於Concretene比傳統混凝土強得多，因此需要使用更少的混凝土來為建築物帶來同樣的結構強度。從事這項工作的團隊計算出，如果在全球供應鏈中部署這種材料那麼可以使全球的排放量減少約2%。