水泥产业的温室气体排放占人类温室气体排放总量的8%。

用LC3材料替代水泥中的熟料可减少40%的二氧化碳排放，到2030年减排量可高达5亿吨。

随着世界人口（尤其是南半球）不断增长，为了建造住房和基础设施，对水泥的需求预计仍将增加。

混凝土的生产规模确实巨大。全球混凝土人均年产量达四吨，但这种生产规模是有代价的。水泥作为粘合混凝土的胶凝材料，其排放量占全球总排放量的8%。因此，找到一种既能减少混凝土对气候的影响、又能满足不断增长的经济需求的解决方案至关重要。

熟料是水泥的主要成分，其生产过程碳排放极高，占混凝土制造过程中水泥总排放量的90%。幸运的是，有许多行之有效的策略可以大幅减少制造水泥和混凝土所需的熟料量。其中一个最有前景的解决方案被称为LC3，即石灰石煅烧粘土水泥。

胶凝材料

作为混凝土的重要组成材料，胶凝材料与功能外加剂是实现混凝土高性能化的关键技术。一方面，胶凝材料经水化作用后形成硬化浆体，与混凝土内砂石组分粘结成为整体。其中，硬化浆体的微结构与混凝土性能密切相关；另一方面，功能外加剂以较低的用量实现对混凝土微结构优化与调控，从而满足不同服役性能要求。近年来，随着大型基础设施与现代工程结构的快速发展，混凝土技术所面临问题主要体现为上述胶凝材料与功能外加剂两个方面。

1. 胶凝材料

传统硅酸盐水泥：硅酸盐水泥的快速发展亟需重视收缩开裂与适应性问题。

从英国工程师JosephAspdin获得授权专利起，硅酸盐水泥及其混凝土在不到200年的发展历程中已成为全世界用量最大的基础材料。随着水泥行业的科技进步，硅酸盐水泥的生产工艺与各方面性能指标得到了显著的提升。

近年来，我国新的水泥烧成工艺通过高固气比悬浮预热预分解技术，使得水泥产量增加40%以上，废气中的SO?和NOX排放降低50%以上，同时能耗显著降低。除了烧成工艺的进步，硅酸盐水泥的粉磨技术也得到快速发展，水泥细度和比表面积也在不断增加，大幅提高了水泥强度。

尽管如此，现有研究表明，随着水泥细度的增加，水泥快速水化的集中放热，将加剧混凝土早期收缩，增大温度开裂风险。其中，当水泥比表面积由280平方米每千克增加至380平方米每千克，其开裂温度增加9.5℃，开裂时间提前约1倍。其次，水泥熟料矿物中C3S含量超过55%，呈现上升趋势。

一方面，高C3S含量有效提高混凝土的早期强度；另一方面，随着C3S含量的提高，水泥水化放热量集中，极大增加了水泥混凝土的早期开裂风险。最后，随着水泥行业低碳绿色化的发展需要，越来越多的工业废渣作为混合材被掺入硅酸盐水泥中，提升水泥基材料性能。然而，近年来优质原材料的匮乏，导致低品质或低活性混合材，如煤矸石、炉底渣等的大量不合理使用，从而影响水泥混凝土的工作性能与力学性能。

同样地，大量工业副产物石膏，如脱硫石膏、磷石膏和氟石膏，由于其溶解速度的差异，会导致水泥凝结时间异常，与高效减水剂相容性变差。针对上述问题，硅酸盐水泥的未来的发展方向在于水泥熟料矿物组成的设计与优化。在水泥材料设计方面，未来应重点借助于计算机模拟方法研究水泥水化机理，优化水泥组分和性能。另一方面，积极开展具有低水化热特性的高贝利特水泥研究与应用，从而在减少混凝土开裂的同时，大幅度降低硅酸盐水泥生产能耗。

新型胶凝材料：煅烧粘土-石灰石复合胶凝材料（LC3）是绿色低碳硅酸盐水泥的研究前沿。

煅烧粘土类矿物相比于粉煤灰与磨细矿渣具有更高的火山灰活性，在部分取代硅酸盐水泥时并不会影响水泥基材料的早期力学性能。同时煅烧粘土矿物的原材料高岭土储量丰富，生产烧制工艺与硅酸盐水泥相似，可采用水泥生产设备生产，并且煅烧温度低，煅烧过程中不会释放温室气体CO?，具有诸多优势。

瑞士洛桑联邦理工学院Scrivener教授最新提出了煅烧粘土与石灰石复合胶凝材料体系（Limestone calcined clay cement，简称LC3）。在该体系中，煅烧粘土与石灰石在碱性环境下反应生成了水化产物水化碳铝酸钙，在两者总掺量达到45%时，水泥基材料的力学性能与抗渗性能依然优于普通硅酸盐水泥体系。同时，煅烧粘土与石灰石的复合掺加能节约更多的硅酸盐水泥熟料，进一步降低水泥生产过程中的碳排放量，因而被视为一种极具应用前景的新型低碳水泥体系。

首先，它用煅烧粘土和石灰石粉替代了一半的熟料，这两种材料在加热时都不会像石灰石那样产生碳排放。其次，粘土的加热温度要低得多，减少了燃料使用和由此产生的碳排放。因为与制造熟料的条件相比所需温度较低，改用电力等清洁能源也更加可行。与传统水泥相比，LC3替代了一半的熟料，能减少约40%的二氧化碳排放量。

LC3也很实用。它的透水性和透盐性较弱，可使混凝土道路和桥梁更加耐用，增长使用寿命，降低更换成本，减少不便。制造LC3所需能源较少，使用的粘土也很常见，因此生产成本较低，最高可降低25%。

LC3已在迅速发展，目前在全球多家工厂都有生产。每生产一吨煅烧粘土，就能减少600千克二氧化碳排放。到2023年底，LC3将减少约1500万吨二氧化碳排放。预计到2025年，LC3将减排4500万吨。如果水泥行业大规模使用LC3，到2030年，能帮助减少5亿吨二氧化碳排放。

许多领先的水泥生产商现在正在采用煅烧粘土水泥。例如，霍尔希姆（Holcim）公司在2023年1月宣布在法国的一家工厂投产，每年将生产50万吨低碳水泥。哥伦比亚的Argos Cementos每年生产230万吨LC3水泥，已用于当地的道路、隧道和建筑施工。

尽管如此，煅烧粘土与石灰石复合胶凝体系在应用与推广过程中仍存在一些问题亟需解决。首先，其主要原料粘土（高岭土）来源广泛，地区差异性较大，因此不同地区的水泥煅烧工艺、使用方法、颜色、性能都会存在较大差异。其次，由于原材料的粒径分布和化学吸附作用，煅烧粘土与石灰石复合胶凝体系的混凝土工作性较普通硅酸盐水泥混凝土略差，且缺少与之完全匹配的化学外加剂。

碱激发胶凝材料：碱激发胶凝材料是硅酸盐水泥体系外的重要胶凝材料。

该胶凝材料是碱性条件下利用OH-溶解含有硅铝钙元素的天然或人工矿物相物质，通过溶解-缩聚反应形成硅铝酸盐的反应产物与微结构，产生胶结作用的一类水硬性胶凝材料。

碱激发胶凝材料的硬化机理、反应产物与微结构不同于硅酸盐水泥，根据反应机理可将反应过程大致分为4个阶段：腐蚀溶解、离子平衡，胶体或微晶晶核形成，胶体或微晶核的重构，三维结构胶体与类沸石微晶的形成。基于上述反应机理，碱激发胶凝材料具有早强快硬的特征，其24h抗压强度可达到约20MPa，且通过增加SiO?/Al?O?摩尔比值实现凝结硬化时间由20min至210min可调控，故该胶凝材料适于快速修建与修补工程。

除上述快硬早强特征外，碱激发胶凝材料具有优异的低介质渗透与耐蚀性，其氯离子渗透深度最低仅为传统硅酸盐水泥混凝土的约40%，甚至浸泡于10%质量浓度的硫酸溶液中45d仍然具有完整的外观。

鉴于优异的抗侵蚀性质，碱激发胶凝材料适于作为强腐蚀性环境的建筑材料或防护材料，目前该材料相关技术已形成国家标准GB/T29423-2012《用于耐腐蚀水泥制品的碱矿渣粉煤灰混凝土》。虽然具有优异的早期力学性能与抗侵蚀能力，但是碱激发胶凝材料收缩变形大。在相同条件下，碱激发粉煤灰与矿渣砂浆的28d自收缩变形值约为硅酸盐水泥砂浆的2至3倍，而28d干燥收缩变形值则为4至6倍。造成上述结果的原因在于碱激发材料中介孔体积（＜50nm）明显高于硅酸盐水泥浆体（约为2倍），从而导致显著的毛细孔收缩，故应重视碱激发胶凝材料的体积收缩变形问题。

基于上述结果，碱激发胶凝材料的收缩变形过大，现有抗裂技术对碱激发胶凝材料的改善作用亟需进一步验证。其次，碱激发胶凝材料使用碱性激发剂作为主要的原材料，故返碱析盐导致的外观质量问题及抑制机制也应重点考虑。最后，碱激发胶凝材料的成熟工作性调控技术仍然欠缺，主要表现为碱激发胶凝材料对现有减水剂的相容性差，凝结时间过快，未来新型专业减水剂与工作性调控方法的研究亟需深入开展。

胶凝材料是混凝土的基本组成，包括硅酸盐水泥、新型胶凝材料与矿物外加剂。收缩开裂、水化行为与机理是胶凝材料的关键问题，建议未来重点开展绿色化、高性能化硅酸盐水泥的研究，同时探讨数值模拟技术指导生产实践的可行性；积极鼓励新型胶凝材料的快速发展，结合材料特性侧重功能特征。新拌性能与收缩变形是现阶段实现混凝土高性能化的首要问题，未来应大力引导混凝土功能材料的原创性研究，侧重分子构效设计，解决低水胶比混凝土粘度大、脆性大与韧性差、结构温升及温降收缩变形大的难题。

重塑混凝土价值链

减少水泥中熟料的用量可以减少水泥生产过程中的排放，但如果我们纵观整条混凝土价值链，还有许多其他可以采取的策略。通过提高工厂的能源效率和使用废燃料等替代燃料，我们可以进一步减少熟料生产过程中产生的二氧化碳。通过精心选择骨料粒度级配，减少水泥浆的填充空隙，节省水泥成本，减少碳排放。

我们还能改善并提升建筑中使用的混凝土的设计和效率。全球水泥和混凝土协会预计这将节省22%的混凝土，同时也能降低成本。最后，调整某些设计元素，提升效率并回收材料能进一步减少混凝土对气候的影响。

如果将所有这些策略结合起来，利用当今的技术，我们可以减少水泥和混凝土生产中80%的排放。为了实现这一目标，水泥和混凝土生产商、承包商和贸易伙伴、设计团队和业主等整个行业的利益相关方必须共同努力。

改变现有做法并推动全行业转型离不开勤奋和毅力。私营和公共部门都应有强烈的合作意愿，共同促进建筑业向净零排放转型，同时提供可持续增长的解决方案。现在，要扩展真正的解决方案，我们比以往任何时候都更需要公私合作。