遇到混凝土是一種常見的,甚至是常規的事情。而這正是混凝土的特殊之處。


作為僅次于水的消耗量最大的材料,混凝土對于許多重要的系統--從道路到建筑--都是不可或缺的。


但是,由于其廣泛的使用,混凝土生產也造成了美國約1%的排放,并且仍然是全球幾個碳密集型產業之一。因此,應對氣候變化將意味著減少混凝土對環境的影響,即使其使用繼續增加。


在《美國國家科學院院刊》的一篇新論文中,麻省理工學院混凝土可持續發展中心(CSHub)的一個現任和前任研究人員團隊概述了如何能夠實現這一目標。


他們對建筑和路面部門進行了廣泛的生命周期評估,估計溫室氣體(GHG)減排策略--包括混凝土和水泥的減排策略--如何能夠最大限度地減少每個部門的累積排放量,以及這些減排量將如何與國家溫室氣體減排目標相比較。

混凝土路面既然必不可少,那如何在使用過程中減少碳排放?

該小組發現,如果實施減排戰略,即使混凝土的使用在這一時期大大加快,2016年至2050年期間路面和建筑的排放量也可分別下降65%和57%。這些都接近美國作為《巴黎氣候協定》的一部分而設定的減排目標。所考慮的解決方案也將使這兩個部門的混凝土生產在2050年前實現碳中和。


盡管持續的電網脫碳和燃料效率的提高,他們發現在此期間新建筑和路面的絕大部分溫室氣體排放將來自于運行的能源消耗,而不是所謂的體現排放--材料生產和施工的排放。


來源和解決方案


由于混凝土的多功能性、耐用性、可施工性以及在經濟發展中的作用,預計全世界的混凝土消費量都會增加。


雖然考慮正在進行的混凝土生產的體現影響是至關重要的,但同樣重要的是將這些初始影響放在材料的生命周期中。


由于混凝土的獨特屬性,它可以影響它所使用的系統的長期可持續性表現。例如,混凝土路面可以減少車輛的燃料消耗,而混凝土結構可以承受危險而不需要能源和材料密集型的維修。


那么,混凝土的影響就像材料本身一樣復雜--水泥粉、水、沙子和骨料的精心配比的混合物。理清混凝土對建筑物和路面的運行和體現影響的貢獻,對于規劃這兩個部門的溫室氣體減排至關重要。


一系列的方案


在他們的論文中,CSHub的研究人員預測了從2016年到2050年期間,隨著眾多減排戰略的引入,建筑和路面部門潛在的溫室氣體排放。


由于這兩個部門都是巨大且快速發展的,為它們建模需要一個復雜的框架。


材料研究實驗室的研究科學家和CSHub的共同主任Randolph Kirchain解釋說:"我們沒有美國每個建筑和路面的詳細信息,因此,我們開始開發參考設計,這些設計旨在代表當前和未來的建筑和路面。這些設計被調整為適合美國14個不同的氣候區,然后根據美國人口普查和聯邦公路管理局的數據分布在美國各地。"


為了反映這些系統的復雜性,他們的模型必須具有盡可能高的分辨率。


在路面部門,我們根據高精度的10英里路段收集了美國網絡的當前存量,以及每個路段的表面狀況、交通量、厚度、車道寬度和車道數量,為了模擬分析期內的未來鋪設行動,我們假設了四種氣候條件;四種道路類型;瀝青、混凝土和復合路面結構;以及為每種氣候條件規定的主要、次要和重建鋪設行動。


利用這個框架,他們分析了34年分析期內建筑和路面的減排戰略和系統屬性的 "預計 "和 "雄心勃勃 "的情景。這些方案是由溫室氣體減排戰略的時間和強度決定的。


正如其名稱所暗示的,預測方案反映了當前的趨勢。對于建筑部門,解決方案包括預期的電網脫碳和目前正在全國范圍內實施的建筑法規和能源效率的改進。對于路面,唯一的預測解決方案是改善車輛燃料經濟性。這是因為隨著車輛效率的不斷提高,因道路質量差而導致的車輛超標排放也將減少。


建筑物和路面的預測方案都以逐步引入低碳混凝土戰略為特色,如回收成分、水泥生產中的碳捕獲,以及使用捕獲的碳來生產骨料和固化混凝土。


Kirchain解釋說,"在雄心勃勃的情況下,我們超越了預測的趨勢,探討了超出當前政策和[行業]承諾的合理變化。"


在這里,建筑部門的戰略是相同的,但實施起來更加積極。人行道部門也遵守更積極的目標,并納入了幾個新的戰略,包括增加投資以產生更平滑的道路,有選擇地應用混凝土覆蓋層以產生更堅硬的路面,并引入更多的反射性路面--這可以改變地球的能量平衡,將更多的能量送出大氣。

混凝土路面既然必不可少,那如何在使用過程中減少碳排放?

結果


隨著電網變得更加綠色,新的住宅和建筑變得更加高效,許多專家預測新的建筑項目的運行影響與它們所體現的排放相比會有所減少。


我們的生命周期評估發現,這種預測不一定是這樣的。相反,我們發現,在2016年至2050年期間,新建筑和路面的總排放量的80%以上將來自于它們的運營。


事實上,該研究發現,除非所有能源--電力和熱能--在2040年之前實現碳中和,否則運營將在2050年之前創造大部分的排放。這表明,對電網和其他運營排放源的雄心勃勃的干預措施可以產生最大的影響。


他們對減排的預測產生了額外的見解。


對于建筑部門,他們發現,預計的情景將導致比2016年的水平減少49%,而雄心勃勃的情景提供了57%的減少。


由于分析期間的大多數建筑是現有的而不是新的,能源消耗在這兩種情況下的排放中占主導地位。因此,他們發現,電網的去碳化以及提高電器和照明的效率導致了建筑物的最大改善。


與建筑部門相比,人行道方案的結果之間有很大的差距。預計方案僅導致14%的減排,而雄心勃勃的方案則有65%的減排,足以滿足美國巴黎協定在該領域的目標。這一差距來自于目前預測下所追求的溫室氣體減排戰略的缺乏。


"Kirchain解釋說:"路面方案之間的差距表明,我們需要更積極地管理路面的溫室氣體影響,有巨大的潛力,但看到這些收益需要現在就采取行動。"


即使在分析期內,混凝土的使用量比預測方案增加了三倍,也能從這兩個雄心勃勃的方案中獲得這些收益--這不僅反映了混凝土不斷增長的需求,也反映了它在這兩個部門的脫碳中的潛在作用。


盡管他們的減排方案中只有一個方案(雄心勃勃的鋪裝方案)達到了《巴黎協定》的目標,但這并不排除實現這些目標:還有許多其他機會。


在這項研究中,我們主要關注的是混凝土的體現減排,但其他建筑材料也可以得到類似的處理。進一步的減少也可以來自于對現有建筑的改造,以及在設計結構時考慮到耐用性、抗災性和適應性,以盡量減少重建的需要。


這項研究回答了可持續性領域的一個悖論。為了使世界變得更加公平,更多的發展是必要的。然而,同樣的發展可能預示著更大的排放。


麻省理工學院的研究小組發現,情況并不一定如此。即使美國繼續使用更多的混凝土,材料本身的好處和對其進行的干預可以使氣候目標更容易實現。


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