混凝土对环境的影响
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混凝土对环境的影响（英语：Environmental impact of concrete）相当复杂，包含混凝土的制作和应用，部分来自用其兴建的建筑物和基础设施所产生的直接影响，加上二氧化碳排放。全球二氧化碳总排放量中有4-8%与混凝土相关，[1]依情况而定。这些影响主要是由水泥所造成（参见水泥#environmental and social impacts）。
水泥产业是二氧化碳（一种强效温室气体）的主要生产来源之一。[2]混凝土会对地球上最肥沃的土壤 - 表土 - 造成破坏。混凝土构建出坚硬的地面，导致地表径流发生，而迳流会造成土壤侵蚀、水污染和洪水。但混凝土又是建构设施以蓄水、分流和转移洪水与土石流等，成为最有效的防洪工具之一。由于浅色混凝土的反照率较高，可降低城市产生的热岛效应。 [3]但实际上原始植被的好处会高过混凝土。建筑物在受拆除和自然灾害破坏后，所释放的混凝土粉尘是危险空气污染的主要来源。混凝土中含有的某些物质（包括有用的和不需要的添加剂），会因其毒性和放射性（通常是自然发生）而引起健康问题。[4]湿混凝土具有强碱性，处理时需使用适当的防护设备。为响应高涨的环保意识、立法和经济考量，对于混凝土回收的做法也逐渐增加。反之，由于使用混凝土，会减少使用如木材等替代材料，而木材是种自然的碳截存材料。
二氧化碳排放与气候变化
水泥产业是全球两个最大的二氧化碳生产来源之一，占人为排放总量的5%，其中50%来自制造时的化学过程，40%则由使用化石燃料而产生。[2][5]为制造结构用混凝土（使用约14%的水泥）而产生的二氧化碳估计为410公斤/立方米（约180公斤/公吨@2.3克/立方公分的密度，如加入30%的飞灰以取代水泥，排放量可减少为290公斤/立方米）。[6]混凝土产生的二氧化碳排放量，与加入混凝土中的水泥数量成正比。制造每吨水泥会排放900公斤二氧化碳，占与一般混凝土相关排放量的88%。[7][8]制造水泥，会因碳酸钙受热分解为石灰和二氧化碳，即直接产生二氧化碳，[9]也因主要是使用化石燃料，而间接产生二氧化碳。
在混凝土的生命周期中，一个值得注意之处是其每单位质量的隐含能量非常低。主要是因为混凝土结构中使用的材料，如大量的骨材、火山灰和水，通常可从当地取得。[10]此表示混凝土的隐含能源中，运输所占的仅为7%，而生产水泥的则占70%。混凝土的总隐含能量为16.9亿焦耳/公吨，在大多数常见的建材中，混凝土每单位质量的隐含能量仅高于木材。但因混凝土结构质量庞大，这种低隐含能量并不会直接影响到实际决策。值得注意的是这种隐含能量是假设混合比率中飞灰最多仅占20%而产生。据估计，使用飞灰替代1%的水泥，可让能源消耗减少0.7%。有些提议的混凝土中含有多达80%的飞灰，即表示能节省相当多的能源。[8]
波士顿谘询公司于2022年发表的的报告说，投资开发更环保的水泥，比投资在更环保的发电设施和航空业，可减少更多温室气体排放。[11]
缓解
学术界和工业界对减少与混凝土相关的碳排放的兴趣日益增加，特别是为应对未来可能会征收的碳税。目前已提出几种减少排放的方法。
生产水泥会产生如此之高碳排放的原因之一，是因为必须把原料加热到非常高的温度，才能形成熟料。造成此情况的罪魁祸首是矽酸三钙石(Ca3SiO5)，此为混凝土中的一种矿物，会在浇注后数小时内固化，在很大程度上产生初始强度。但矽酸三钙石在熟料形成过程中必须加热到1,500 °C。一些研究显示矽酸三钙石可被不同的矿物替代，例如矽酸二钙石 (Ca2SiO4)。矽酸二钙石也是种用于混凝土的矿物，加热温度为1,200℃，明显低于矽酸三钙石所用的。此外，固化后的矽酸二钙石会更坚固，但需要几天或几个月的时间才能完全凝固，而混凝土在其完全固化前呈较脆弱状态。目前的研究重点是找出能加速固化的添加剂，例如镁。需注意的是矽酸二钙石需要消耗更多的能量来研磨，让其在整个生命周期中的影响与寿命和矽酸三钙石相似，甚至更高。[12]
另种方法是用飞灰、底灰和炉渣等来部分替代熟料，前三者都是别种产业的副产品，通常会送往垃圾掩埋场弃置。飞灰和底灰来自火力发电厂，而炉渣是钢铁业高炉产生的废弃物。这类添加物正缓慢开始流行，特别是由于它们可增加混凝土强度、降低密度并延长耐久性。 [13]
更广泛利用飞灰和矿渣的主要障碍，在很大程度上是这类做法尚未经长期考验。在征收碳税发生之前，纵然如此做可减少碳排放，业者仍不愿冒险采用新的配方。但已有些“绿色”混凝土建议及实例发生。其中一例是家名为Ceratech的混凝土公司，已开始生产含有95%飞灰和5%液体添加剂的混凝土。[12]另一个是I-35W圣安东尼瀑布大桥，这座桥用新颖的混凝土建造，在不同的桥梁部分及其不同的材料特性需求而采用不同的波特兰水泥、飞灰和矿渣组合。[14]
此外，生产混凝土需用到大量的水，全球在此的用水量几乎占工业用水总量的10分之1，[15]相当于全球用水总量的1.7%。 一篇发表在2018年期刊《Nature Sustainability》上的研究报告，预测未来混凝土生产将会对易受干旱影响地区增加水资源压力：“到2050年，75%的混凝土生产预测将发生在会缺水的地区。[16]
混凝土的碳化作用是透过化学反应形成碳酸钙 (CaCO3)。 [17]碳化的速度主要由混凝土中的孔隙率和含水量决定。在混凝土孔隙中的碳化只有在相对湿度（relative humidity ，RH）为40-90%时才会发生，当RH高于90%时，二氧化碳无法进入混凝土孔隙，而当RH低于40%时， 二氧化碳无法溶入水中。[18]
混凝土在很大程度上会发生两种类型的碳化：风化碳化和早期碳化。[19]
当钙合成物与大气和水中的二氧化碳反应时，就发生混凝土风化碳化。
在混凝土孔隙中的二氧化碳反应过程如下：
首先，二氧化碳经化学风化，在混凝土孔隙中与水反应，生成碳酸：
二氧化碳 + 水 → 碳酸
然后碳酸与碳酸钙反应：
- Ca(OH)2 + H2CO3 → CaCO3 + 2H2O
碳酸 + 碳酸钙 → 碳酸氢钙 一旦氢氧化钙 (Ca(OH)2) 碳化，水泥的主要成分 - 水合矽酸钙（简写为C-S-H）凝胶会脱钙，游离的CaO（氧化钙）碳化：
- H2CO3 + CaO → CaCO3 + H2O
早期碳化是指我们将二氧化碳引入早期新拌混凝土，或发生在初始固化时，这过程既可通过暴露而自然发生，也可通过增加直接吸入而加速。[19]气态二氧化碳转化为固体碳酸盐，可永久存在混凝土中而降低排放，对水泥中的二氧化碳和水合矽酸钙的一般反应在1974年[20]描述如下： C3S + 3 CO2 + H2O → C-S-H + 3CaCO3 + 347 kJ/mol C2S + 2 CO2 + H2O → C-S-H + 2CaCO3 + 184 KJ/mol
有间加拿大公司取得一项新的技术专利，并将其商业化，该技术使用早期碳化来封存二氧化碳。过程为把第三方工业排放的二氧化碳回收，制成液态二氧化碳，在混凝土湿拌阶段直接注入来完成。经化学反应，二氧化碳变成矿物，把原为温室气体的污染物长期存放于混凝土造的基础设施、建筑物、道路等之中。此外，在《清洁生产杂志》上发表的研究报告，作者建立一个模型，证明二氧化碳可提高混凝土的抗压强度，既可减少二氧化碳排放，又可减少水泥用量（“碳足迹减少4.6%”）。[21]
另一种捕捉排放物的建议是在混凝土固化时利用添加物（矽酸二钙y相）以吸收过程中的二氧化碳。理论上在混凝土中使用飞灰或其他合适的替代品，可让二氧化碳排放量到0公斤/立方米的程度，而加入波特兰水泥的排放量则为400公斤/立方米。
在2019年8月，有项减少二氧化碳排放的水泥，“把预铸混凝土的整体碳足迹减少70%”。[22]这类水泥的主要成分是矽灰石 (CaSiO3)和矽钙石(rankinite，3CaO·2SiO2)，而传统的波特兰水泥的主要成分是矽酸三钙石及矽酸二钙石。
制作混凝土的专利工艺始于通过液相烧结让颗粒结合，也称为水热液相致密化 (rHLPD)。[23]混有二氧化碳的水分渗透到颗粒中，与环境条件反应后结合，产生减量石灰的非水合矽酸钙水泥 (CSC)。此外，传统波特兰混凝土与这类碳化矽酸钙混凝土 (CSC-C) 之间的区别在于水-二氧化碳溶液和矽酸钙系列之间的固化过程反应：“CSC-C固化是温和的放热反应，CSC中的低石灰矽酸钙在水存在下，与二氧化碳反应生成方解石 (CaCO3) 和二氧化矽 (SiO2)，如反应II和III所示。
II. CaO.SiO2 + CO2 → H2O CaCO3 + SiO2
III: 3CaO.2SiO2 + 3CO2 → H2O 3CaCO3 + 2SiO2" [24]
虽然早期碳化方法因其有大量的碳封存能力而获得认可，但一些研究报告作者认为早期碳化固化对预铸混凝土在风化碳化作用下：“实验结果显示，具有高水/水泥比率(>0.65>0.65)的早期碳化混凝土，更易受到风化碳化的影响"，[25]并认为这可能会削弱混凝土使用寿命中在腐蚀阶段的强度。
义大利水泥专业公司Italcementi设计出一种水泥，据称可利用加入的二氧化钛吸收紫外线，把与混凝土接触到的污染物分解，而能减轻空气污染。但有些环境专家持怀疑态度，并想知道这种特殊材料是否可“吃掉”足够多的污染物，而产生足够经济效益。在罗马的仁慈天父堂就是用这种混凝土所建造。[26]
对混凝土要考虑的另一方面是位于寒冷气候条件地区，经常暴露于除冰盐和冻融循环（霜冻作用）而产生的表面结垢。利用碳化固化制作的混凝土在遭受物理降解（例如冻融循环破坏）时也表现出优异的性能，特别是由于碳化物沉淀所产生的孔隙致密化结果。[27]
一些研究把减少二氧化碳排放与混凝土生产做联系，但这些研究大多是由提出解决方案或是与混凝土产业相关的作者所撰写，[28][29]而会引起人们对这类解决方案有漂绿的担忧。混凝土的二氧化碳排放来自其中的水泥，减少水泥用量才是唯一经过验证的的方法。
二氧化钛（TiO2） 是种具有光触媒功能的半导体材料，已被用于去除大气中的氮氧化物（NOx）。NO x（一氧化氮和二氧化氮）是导致酸雨和雾霾的大气气体，两者都由城市污染所造成。由于NO x仅在高温下发生，因此通常是燃烧碳氢化合物的副产品。NO x除会导致城市污染外，还被证明会对健康和环境造成广泛负面影响，包括引发呼吸窘迫、与其他大气化学物质反应形成臭氧、硝基芳烃和三氧化氮等有害物质，以及加剧温室效应。
世界卫生组织 (WHO) 建议的的最大（NOx）浓度为40微克/立方米。 [30]有项降低NOx浓度（尤其是在城市环境中）的建议，是把有光触媒作用的二氧化钛加入混凝土，把NO和NOx氧化，而形成硝酸盐。经过光照，二氧化钛产生电子和电洞，让NO氧化成NOx，而后NOx通过羟基自由基攻击而形成硝酸（HNO3）。
分子吸附：
- O2 + site → Oads
- H2O + site → H2Oads
- NO + site → NOads
- NO2 + site → NO2ads
二氧化钛启动而产生电子与电洞：
- TiO2 + hν → e− + h+
捕捉电子与电洞：
- h+ + H2Oads → OH· + H+
- e− + O2ads → O2−
羟基自由基攻击：
- NOads + OH· → HNO2
- HNO2 + OH· → NO2ads + H2O
- NO2ads + OH· → NO3− + H+
- NOads + OH· → HNO2
电子与电洞重组：
- e− + h+ → heat
另一种氧化途径是用紫外线照射而形成硝酸。 [31]
有建议在混凝土嵌上染料敏化太阳能电池，作为减少建筑物碳足迹和能源足迹的方法。混凝土的表层嵌有薄膜式染料敏化太阳能电池，能在现场发电，加上电池后，可全天提供恒定的电力。染料敏化太阳能电池特别有吸引力，因为它易于通过滚筒印刷或涂抹方式而做大规模生产，且具有达10+%的换电效率。[32]此概念被商业化的例子是德国公司Discrete，该公司用喷涂法把可发电的有机染料涂布在混凝土表层。[33]
储能技术已成许多可再生能源发电的重要考虑因素，尤其是对通行的太阳能或风能等发电技术，这两种方法都是间歇性的发电方式，需经储存才能持续使用。目前世界上96%的储能来自抽水蓄能，抽水蓄能可利用多馀的电力将水抽到大坝后的蓄水库，然后在高额电力需求时放水，推动轮机发电。但抽水蓄能的问题在于必须设在特定的地点，而这类地点不易觅得。瑞士新设立公司Energy Vault已实现使用水泥代替水的类似概念。方法是创建一个设施，有电动起重机，周围堆叠有35吨重的混凝土块（可由废料生产），透过使用多馀的电力提升和堆叠混凝土块。当需要额外电力时，让混凝土块降下，转动机器发电，把电力送回电网。这种装置的储存电量为25-80兆瓦时（MWh）。 [34]
对于混凝土还有许多改进，但均不直接处理排放问题。最近有许多关于“智能”混凝土的研究：透过电信号和机械信号来侦测混凝土的负载条件变化。有种在混凝土中加入碳纤维增强材料，可提供电信号以侦测混凝土的负载条件。而在不需安装传感器的情况下即能监测混凝土的结构完整性。[35]
道路建设和维护产业为确保路边和城市基础设施的安全，每天要耗用大量具有碳密集性质的混凝土。随著人口增长，这种基础设施越来越容易受到车辆的影响，造成不断增加的损坏和废弃循环，并不断增加混凝土用量。最近在基础设施产业的重大发展是使用回收的石油废料来保护混凝土，免受损坏，并让现有基础设能在不受干扰的情况下接受轻松的维护和更新。这种简单的创新为项目整个生命周期的基础提供保障。
另一种研究是创造所谓的月球混凝土（无需用水），可用于理论上的月球殖民，另有理论上用于火星殖民的混凝土（AstroCrete）。最常见的是使用硫作为非反应性粘合剂，可在无水或很少水的环境中建造混凝土结构。这类混凝土在许多方面与普通水工混凝土并无区别：具有相似的密度，可使用现有的钢筋，而且比普通混凝土更快固化，建立强度。[36]这种应用尚未在地球上受到探索，但考虑到生产混凝土会耗用一些开发中国家总能源的三分之二，[37]任何改进方法均值得考虑。
混凝土是世界上最古老的人造建筑材料之一，但其制造和使用会因碳足迹问题而产生甚大的关切。制造商透过改变混凝土的生产工艺，和回收旧混凝土碎块作为新混凝土中的骨材以达到减排效果。人类使用混凝土的证据可追溯到8,000多年前。[38]根据国际能源署（IEA）发布的报告，波特兰水泥是混凝土中的主要结合剂，到2050年时用量会因都市化及人口增长而增加23%。[39]但生产波特兰水泥会造成大量二氧化碳排放，为减降低这类对于环境的负面影响，从废料中寻求替代性结合剂就成为极重要的目标。从废料生产的补充结合材料（supplementary cementitious materials (SCMs) ，最多可取代80%的波特兰水泥。[38]
事实上混凝土有很多替代品。一种是由来自不同产业的回收废料所生产的绿色混凝土，另一种称为Ashcrete，由飞灰、硼酸盐、底灰、氯化合物和水混合制成，其功能类似于水泥。黑色炉渣也是一种有力的替代品，由铁水渣与矽粉、纸混凝土、复合水泥、碎玻璃及水混合而成。 [40]
根据整体所需或使用的其他材料数量，以确保每栋建筑物的结构稳定性，所采用的材料也会对环境产生重大的负面影响。例如截至2021年，虽然减少钢铁生产排放的研究和开发已在进行，此产业的温室气体排放总量仍占全球的约8%，[41][42]
- 黏土
3D列印而成的Tecla house（摄于2021年）
粘土混合物可当作混凝土的替代材料，具有较低的环境足迹。第一个3D列印房屋原型（名为Tecla house）于2021年完成，所用的建材是当地的土壤、水及稻壳纤维，加上粘合剂后列印而成。[43][44][45]这样的建筑会非常便宜、隔热良好、稳定且防风雨、适应当地气候、可定制、生产迅速、知识传输容易、需要较少能源、产生很少废弃物，且减少因生产混凝土而产生的碳排放。
地表径流
当水从不透水地表（如无空隙混凝土）流经时，会导致严重的土壤侵蚀和洪水。城市径流往往会从人行道、道路和停车场携带汽油、机油、重金属、垃圾和其他污染物。[46][47]一个典型城市的不透水地面所产的径流是面积类似典型林地的5倍。[48]美国国家学院在2008年发表的报告把城市径流确定为水质问题的主要来源。[49]
为抵消不透水混凝土的负面影响，许多新的铺路工程开始使用透水混凝土，这种建材提供一定程度的自动暴雨雪水管理。透水混凝土是把具有专门设计骨材的混凝土块，精心铺设而成，可让地表径流渗透而进入地下水。既可以防止洪水泛滥，又有助于地下水补给。[50]如果设计和铺设得当，透水混凝土和其他谨慎铺设的区域也可防止某些有害物质（如油类和其他化学物质）通过，而发挥自动过滤的作用。[51]不幸的是透水混凝土仍具有缺点，无法大规模应用：透水混凝土的强度比传统混凝土为低，只能在低负荷区域使用，并且必须适当铺设，以减少冻融作用的破坏和沉积物堆积。[50]
城市热
混凝土和沥青路面都是造成所谓的城市热岛效应的主要因素。[15]根据联合国经济和社会事务部的数据，全球55%的人口居住在城市地区，预计到2050年，比率将提高到68%；此外，“到2060年，预计世界将增加2,300亿平方米（2.5兆平方英尺）的建筑物，或相当于当前全球已有建筑的面积。相当于在未来40年内，每隔34天，地球会增加一个完整的纽约市。[52]因此铺砌表面是个重要问题，这类设施会产生额外的能源消耗和空气污染。[53]
一项对反照路面和建筑物之间相互作用的研究发现，除非附近的建筑物安装反照玻璃，否则从路面反射的太阳辐射会增加建筑物的温度，增加空调需求。[54]
此外，针对覆盖典型美国城市约3分之1面积的人行道[3]的热传递也会影响当地温度和空气品质。热表面通过对流让城市空气变暖，因此采吸收较少太阳能的材料，例如高反照率路面，可减少热量流入城市并缓和热岛效应。[55]目前使用的路面材料表面反照率，范围约在0.05到约0.35。在典型的使用寿命期间，开始时具有高反照率的路面材料往往会失去反照率，而具有低初始反照率的路面材料会增加反照率。[56]
于纽约的非营利组织公共空间设计信托基金（Design Trust for Public Space）发现，透过略微提高纽约市的反照率值（譬如利用浅色混凝土取代黑色沥青），可实现节能等好处。[57]但在冬天就可能是个缺点，因为冬天少阳光，材料吸收能量较少，温度会更低，容易结冰，且结冰会维持较长的时间。[58]
另一个需考虑的是热舒适性效应，以及对更多缓解策略的需求，这些策略可避免热度，尤其是在热浪期间威胁到行人的健康和福祉。[59]一篇发表在2019年《建筑与环境（Building and Environment ）》期刊上的研究报告，就热浪和高反照率材料相互作用的实验，对义大利北部城市米兰的影响做预测。通过计算热浪发生时拥有高反照率材料地区的“地中海户外舒适指数”(MOCI)，研究发现具有大量高反照率材料地区的微气候会恶化。使用高反照率材料被发现“会导致多次相互反射发生，随之增加微气象变量，例如平均辐射温度和气温。更详细地说，这些变化导致MOCI增加，在下午时间甚至可以达到0.45个单位。[60]
由于会让人们暴露在天气和热舒适条件下，在做出决策时仍应关注整体城市配置。在城市环境中使用高反照率材料可通过适当结合其他技术和策略（例如：植被、反照材料等）而产生积极影响。缓解城市热的措施可最大限度减少微气候以及对人类和野生动物栖息地的影响。[61]
混凝土粉尘
拆除建筑物和地震等自然灾害经常会释放大量混凝土粉尘进入大气。阪神大地震产生的混凝土粉尘被认为是危险空气污染的主要来源。[62]
有毒和放射性污染
混凝土中存有某些物质（包括有用的和不需要的添加剂），会引起健康问题。在混凝土建造的住宅中含有天然放射性元素（钾、铀、钍和氡），其浓度取决于所用原材料的来源。例如有些岩石会自然释放氡，而铀曾在矿山废弃物中很常见。[63]由于核事故造成的污染，让人可能在无意中接触有毒物质。[64]混凝土建筑物在拆除或倒塌时产生的粉尘会导致严重的健康问题，但也取决于混凝土中掺入的物质。但在混凝土中嵌入有害材料并非总是危险，也可能有益。在某些情况下，在水泥的水化过程中加入某些化合物（例如金属），可将其固定，并防止它们释放到别处。[65]
操作注意事项
处理湿混凝土时必须持续穿戴适当的防护设备。<[66]>由于水泥和水的混合物具有腐蚀性，接触后会造成皮肤化学灼伤。[66]由于溶液中存在游离氢氧化钾和氢氧化钠 (pH值约13.5)，新拌合的水泥与水的pH值呈强碱性，必须正确保护眼睛、手和脚，避免直接接触湿混凝土，接触后必须立即清洗。<[66]
混凝土回收
拆除混凝土结构后作回收，是种越来越普遍的做法。经破碎后的混凝土曾被例行运送往垃圾掩埋场弃置，但由于环境意识、政府法律要求和经济效益的提高，回收的做法正增加中。[67]
拆卸的混凝土必须不含垃圾、木材、纸张和其他类似材料，通常与沥青、砖块和岩石一起，运用破碎机处理成小碎块后再利用。
强化混凝土中包含钢筋和其他金属增强材料，这些材料可用磁铁收集，运到别处回收。剩馀的骨块按大小分类。较大的会再利用破碎机处理。较小的用作新建筑项目的砾石。骨材砾石作为铺设道路的底层，上面再铺上新鲜混凝土或沥青。粉碎的再生混凝土如果不含有污染物，有时可用作全新混凝土的干骨材，[68]但有些实验显示回收的混凝土骨材的强度和耐用性不如新鲜的骨材。这种问题可透过加入飞灰等材料予以改善。[69]
参见
参考文献
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