水泥是混凝土的主要胶凝材料也是建筑行业里仅次于水的第二大消耗材料。我们知道水泥是碳排大户，主要是由于硅酸盐水泥生产过程中原材料煅烧分解产生大量的二氧化碳，其占比约为55-70%。而高温煅烧所需要的燃料燃烧产生的二氧化碳约占全生产过程碳排放量的25-40%。中国乃至世界规模化的城市化进程推动了水泥的大量需求，那么实现低碳水泥、水泥行业的脱碳路径成为了我们必须要研究面对的问题。
水泥脱碳一方面可以从水泥的生产工艺出发，通过替代燃料、改进原材料配比以及采用碳捕捉等技术实现水泥脱碳。另一方面我们可以考虑传统水泥的替代材料，通过原材料替代或者胶凝剂替代实现从源头减碳。
使用替代燃料
燃料燃烧占水泥生产阶段的排放约25-40%，使用替代燃料可以大幅减少总碳排放量。从目前在研发或采用的技术来看，主要是使用固体废物、生物质燃料、以及其他新型燃料如氢能、电力等作为替代。通过对比分析各项燃料，发现固体废弃物是比较好的替代燃料方案。
能作为水泥替代燃料的固体废弃物燃料分类复杂，种类繁多，主要包括轮胎衍生燃料（TDF）、废电解池（SPL）、动物骨粉（MBM）、干市政污泥（DSS）、生物质、固体回收燃料（SRF）、城市固体废弃物（MSM）、废弃物衍生物（RDF）、次煤和塑料废弃物等。其中以城市固体废弃物来源最广，目前欧盟国家将水泥的燃料替代率从较低水平大幅提到近40%。
表格来源《加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路》
但是，目前关于固体废弃物作为替代燃料还存在若干障碍，首先目前的现行标准并没有把固废处理视为燃料替代，导致在管理上、产业上、运输上存在各种阻碍。未来要想推动固体废弃物燃料替代，必须要解决固废燃料定位、技术规范、品控管理等问题。除了固废之外，生物质燃料、光伏热能、氢能、清洁电力等也在燃料替代方面有很多需要探索的潜力。
调整水泥结构
调整水泥结构主要有以下几种策略，包括降低水泥中的熟料比，替换原材料中的石灰石甚至于索性采用不产生二氧化碳的新型水泥原料。
未来10年，全球水泥熟料比平均值呈下降趋势，从目前的0.72会降到0.65。水泥熟料系数的变化会对水泥碳强度产生一定影响，但是降低熟料系数确实会产生降碳作用。未来可以考虑针对不同的应用场景进一步细化水泥的标准，确保水泥低标数的应用场景。
另外，新型熟料或无熟料水泥配方的研发也赋予低碳水泥更多可能性。新型低碳熟料体系不基于硅酸钙熟料，具有所需CaO含量低、烧成温度低、碳排放低的特点，低碳水泥复合材料的典型例子主要有：高贝利特水泥熟料、硫铝酸盐水泥熟料、Solidia 水泥熟料、Celitement 水泥熟料、X-Clinker 水泥熟料、硫氢镁化合物水泥熟料等。关于可替代水泥复合材料的碳排放及其节碳百分比如下图所示。
值得注意的是，新型低碳水泥在原料可用性、稳定性以及耐久性等方面还缺乏系统的检验，但是随着水泥行业减碳压力增大，低碳水泥将占据未来主要的市场份额。
碱激发胶凝材料
关于原料替代，在这里我们介绍一种以硅铝质废弃物为原材料的低碳水泥胶凝材料，可以作为目前水泥的一种低碳替代品。因其能耗低、排放少、强度高、耐久性好等优势性能，被许多研究学者一致认为是一种可以替代水泥具有广阔应用前景的绿色胶凝材料。
该材料的原材来自于火山灰质类材料与部分工业废弃尾渣，通过内含的二氧化硅、氧化铝等与氢氧化钙反应，可以生成水化硅酸钙等凝胶，对砂浆起到增强作用。学术上把这种加入碱性材料进而使之具备胶凝特性的方法称为碱激发。而这种具有热力学活性的材料通过碱激发得到的具有一定胶凝特性的材料称之为碱激发胶凝材料。
与目前通用的硅酸盐类水泥相比，碱激发材料最大的优势就是低碳环保，按照目前的生产方式，每生产1吨的硅酸盐水泥大概产生0.7~0.8吨二氧化碳。而碱激发胶凝材料95%原料是工业废料，无需开采也无需烧制，所以其生产碳排放比常规水泥减少近70%。
同时与普通水泥相比，在同等条件下，碱激发胶凝材料的胶结粘土细沙的能力、低温下抗冻的能力、特殊环境中抗酸碱腐蚀的能力，普遍超出同等级硅酸盐水泥。根据中国工程院院刊《Engineering》2020年第6期孙道胜教授研究团队的《碱激发材料与普通硅酸盐水泥和混凝土的耐久性能比较》一文，文章指出尽管目前不同的研究对碱激发材料的耐久性能和长期稳定性存在一定争议，但总体而言，碱激发材料较普通硅酸盐水泥表现出了更好的耐久性能。由此可见，在未来碱激发材料可以广泛应用于建筑领域、交通领域以及工业建设等多个领域。
但是碱激发材料的应用目前也存在一些问题，比如不同的工业废弃物的成分差别对碱激发胶凝材料的性能影响波动较大，如何提高碱激发工业废渣胶凝材料性能稳定性是实现该材料工程普及应用的关键。同时对于硅酸盐水泥具有良好减水效应的减水剂对于碱激发材料无效，因此迫切需要寻找与碱激发材料相适应的减水剂。
微生物新型水泥
除了上面所介绍的新型的化学材料替代，我们再介绍一种新型水泥生物材料。近日，美国科罗拉多大学科学家通过利用颗石藻的光合作用可以产生石灰石颗粒，利用这种微生物的大量繁殖量产可以实现传统硅酸盐水泥原材料的替代。
颗石藻是一种耐寒的微生物，可以生活在世界各地的温暖和寒冷、咸水和淡水中，使它们成为几乎任何地方理想的养殖对象。对于建筑行业，这些钙质微生物通过光合作用完成的自然生长过程，就像珊瑚礁生长一样，创造出一种制造碳中和水泥的新方式。这种新型生产方式不仅在过程中没有任何化学排放还能够实现一部分的碳汇，从某种程度上来说由这种方式生产出的水泥为负碳水泥。根据该团队的估计，只需要100万-200万英亩的露天池塘就可生产美国所需的所有水泥，而这仅仅是美国玉米种植土地面积的1%。
石灰石并不是微藻唯一可以制造的产品，其生产的指类、蛋白质等可以作为食品、化妆品等更昂贵副产品的原料来源，有助于降低生物石灰石的生产成本。
目前，Wil Srubar 教授正在将颗石藻生物水泥技术进行商业化拓展，成立于 2021 年的 CU 初创公司、团队的商业化合作伙伴Minus Materials, Inc.在投资者和企业合作伙伴的财务支持下，正在推动团队对商业领域的研究。
CCUS(碳捕集与碳封存利用)
最后的杀手锏便是CCUS，在水泥原材料替代不成熟的情况下，水泥生产还是摆脱不了大量的过程碳排放，所以碳捕集、碳封存和利用技术便成了水泥脱碳、碳中和之路的关键技术。
应用于水泥行业的碳捕集方法主要有富氧燃烧、钙循环、膜分离法等，大多处于示范和初步商业化阶段。目前CCUS的减排成本仍然过高，水泥窑烟气中的CO2浓度通常低于30%，不利于有效捕集，但纯化后成本相较于化工厂等更高。我国已有一些水泥头部企业已经开始试点CCUS示范项目，目前海螺集团建设的世界首条万吨级以上水泥窑烟气二氧化碳捕集纯化环保示范项目成功投运，可实现年产5万吨纯度为99.9%的工业级CO2产品和3万吨纯度为99.99%的食品级CO2产品。
除此之外，水泥窑产生的CO2还可以与下游混凝土产业结合来利用。CO2矿化养护混凝土技术是在新拌混凝土中注入CO2的技术，通过化学反应将CO2永久固结在混凝土中，可以减少混凝土生产过程25%或以上的CO2排放量，生产的混凝土相比传统混凝土强度高10%以上。CO2养护技术能实现负碳以及高质量混凝土，对水泥行业具有减排和商业双重价值。
参考资料：
- 四川水泥，碱激发低碳胶凝材料研究现状及未来发展
- “中国加速迈向碳中和”水泥篇：水泥行业碳减排路径
- 《加速工业深度脱碳：中国水泥行业碳中和之路》
- http://gzw.ah.gov.cn/ahgz/mtzx/53888641.html
- https://doi.org/10.1016/j.joule.2021.04.011
