混凝土在减少建筑和路面排放中的作用

遇到混凝土是一种常见的甚至是例行公事。这正是混凝土与众不同的原因。

作为仅次于水的消耗量最大的材料，混凝土对于从道路到建筑物的许多基本系统来说都是不可或缺的。

但由于其广泛使用，混凝土生产也贡献了美国约1%的排放量，并且仍然是全球几个碳密集型行业之一。因此，应对气候变化将意味着减少混凝土对环境的影响，即使混凝土的使用继续增加。

在《美国国家科学院院刊》上发表的一篇新论文中，麻省理工学院混凝土可持续发展中心（CSHub）的一组现任和前任研究人员概述了如何实现这一目标。

他们对建筑和路面部门进行了广泛的生命周期评估，评估了包括混凝土和水泥在内的温室气体减排战略如何最大限度地减少每个部门的累积排放量，以及这些减排与国家温室气体减排目标的比较。

研究小组发现，如果实施减排战略，2016年至2050年间，即使混凝土使用大大加快，人行道和建筑物的排放量也可能分别下降65%和57%。这些都接近作为巴黎气候协定一部分的美国减排目标。所考虑的解决方案也将使两个部门的混凝土生产达到2050的碳中性。

尽管电网持续脱碳并提高了燃料效率，但他们发现，在此期间，新建筑和路面产生的绝大多数温室气体排放将来自运行能耗，而不是材料生产和施工产生的所谓实际排放。

来源和解决办法

由于混凝土的多功能性、耐久性、可施工性以及在经济发展中的作用，预计全世界的混凝土消耗量将增加。

虽然考虑到正在进行的混凝土生产所体现的影响是必要的，但同样重要的是将这些初始影响放在材料的生命周期的上下文中。

由于混凝土的独特属性，它可以影响使用它的系统的长期可持续性性能。例如，混凝土路面可以减少车辆燃油消耗，而混凝土结构可以承受危险，而不需要能源和材料密集型维修。

因此，混凝土的影响与材料本身一样复杂——水泥粉、水、砂和骨料的精心配比混合物。解开混凝土对建筑物和路面的操作和具体影响的贡献对于规划这两个部门的温室气体减排至关重要。

场景集

在他们的论文中，CSHub研究人员预测了2016年至2050年间，随着大量减排战略的实施，建筑和路面行业的潜在温室气体排放量。

由于这两个部门都是巨大且发展迅速的，因此对它们进行建模需要一个复杂的框架。

材料研究实验室的研究科学家、CSHub联合主任兰多夫·基尔查恩（Randolph Kirchain）解释说：“我们没有美国所有建筑和路面的详细信息。”。

“因此，我们从开发参考设计开始，这些设计旨在代表当前和未来的建筑和路面。这些设计经过调整，适用于美国14个不同的气候区，然后根据美国人口普查和联邦公路管理局的数据分布到美国各地。”

为了反映这些系统的复杂性，他们的模型必须具有尽可能高的分辨率。

CSHub博士后、论文合著者Hessam AzariJafari说：“在人行道领域，我们收集了基于高精度10英里路段的美国网络的当前存量，以及每个路段的路面状况、交通量、厚度、车道宽度和车道数。”。

“为了模拟分析期间的未来摊铺行动，我们假设了四种气候条件；四种道路类型；沥青、混凝土和复合路面结构；以及针对每种气候条件规定的主要、次要和重建摊铺行动。”

利用该框架，他们分析了34年分析期内建筑物和人行道的“预计”和“雄心勃勃”的减排策略和系统属性场景。情景由温室气体减排战略的时间和强度确定。

顾名思义，预测的情景反映了当前的趋势。对于建筑行业，解决方案包括预期的电网脱碳以及目前正在全国范围内实施的建筑规范和能源效率改进。对于路面，唯一预计的解决方案是提高车辆燃油经济性。这是因为随着车辆效率的不断提高，由于道路质量差而产生的过量车辆排放也将减少。

建筑物和路面的预测情景都以逐步引入低碳混凝土战略为特色，如回收利用、水泥生产中的碳捕获以及使用捕获的碳生产骨料和养护混凝土。

Kirchain解释说：“在雄心勃勃的情景中，我们超越了预测的趋势，探索了超出当前政策和（行业）承诺的合理变化。”

在这里，建筑行业的战略是相同的，但实施得更积极。路面行业还遵守了更积极的目标，并纳入了若干新战略，包括加大投资以产生更平滑的道路，选择性地应用混凝土覆盖层以产生更坚硬的路面，并引入更多反射性路面，通过将更多能量输送到大气中来改变地球的能量平衡。

结果

随着电网变得更加绿色，新住宅和建筑变得更加高效，许多专家预测，与实际排放量相比，新建设项目的运营影响将缩小。

“我们的生命周期评估发现，”，麻省理工学院气候联盟执行董事、论文主要作者杰里米·格雷戈里说，“这一预测不一定是事实。”

“相反，我们发现，2016年至2050年间，新建筑和人行道的总排放量中有80%以上来自其运营。”

事实上，研究发现，除非所有能源的电和热是2040的碳中性，否则操作将产生2050的大部分排放。这表明，对电网和其他运营排放源进行雄心勃勃的干预可能产生最大的影响。

他们对减排的预测产生了更多的见解。

对于建筑行业，他们发现，与2016年的水平相比，预计情景将导致49%的下降，而雄心勃勃的情景将导致57%的下降。

由于分析期间的大多数建筑物都是现有的，而不是新建的，因此在这两种情况下，能源消耗占主要排放量。因此，他们发现，对电网进行脱碳，提高电器和照明设备的效率，可以最大限度地改善建筑物。

与建筑行业相比，人行道方案在结果之间存在着相当大的差距：预计方案仅减少了14%，而雄心勃勃的方案减少了65%，足以满足美国巴黎协议针对该行业的目标。这一差距源于目前预测中缺乏温室气体减排战略。

Kirchain解释说：“路面方案之间的差距表明，我们需要更积极地管理路面产生的温室气体影响。”。“有巨大的潜力，但看到这些成果需要立即采取行动。”

即使在分析期间，混凝土的使用量比预计的情况增加了三倍，这两个雄心勃勃的情况也可能带来这些收益——这不仅反映了混凝土不断增长的需求，也反映了其在两个部门脱碳中的潜在作用。

尽管只有一种减排方案（雄心勃勃的路面方案）达到了巴黎协议的目标，但这并不妨碍这些目标的实现：还有许多其他机会。

格雷戈里解释说：“在这项研究中，我们主要关注具体体现的减少。”。但其他建筑材料也可以接受类似的处理。

“还可以通过改造现有建筑和设计考虑耐久性、抗灾性和适应性的结构来进一步减少重建需求。”

这项研究回答了可持续性领域的一个悖论。世界要变得更加公平，就必须有更多的发展。然而，同样的发展可能预示着更大的排放量。

麻省理工学院的研究小组发现情况并非如此。即使美国继续使用更具体的材料，材料本身的好处和对其进行的干预也可以使气候目标更容易实现。