一种以铝酸钙和水玻璃为基础的高分子作为水泥替代品

用更少碳排建造

混凝土无处不在：在我们的住宅、桥梁和城市天际线中。制造将混凝土粘结在一起的水泥会释放大量二氧化碳，约占全球CO2排放的8%。这项研究提出了一种新型的基于矿物的“胶水”，可在仍便于建筑施工的前提下，大幅降低这一气候代价。

一种新型的“石头胶”

作者研究了一种由两种主要成分组成的胶结剂：富铝的特种水泥——铝酸钙水泥，以及“水玻璃”，即硅酸钠的液态形态。在强碱性条件下混合时，这两者反应形成一种不含碳的、类岩石的高分子，仅由硅、铝、氧以及诸如钠和钙的金属离子构成。与现行常用的波特兰水泥不同，这种新型胶结剂不以富含碳的石灰石作为主要钙源，因此避免了传统水泥生产过程中大量CO2的释放。该混合物为可浇注的悬浮液，可用与普通混凝土相同的工具和工艺进行处理。

矿物网络如何形成

为理解并优化这一反应，研究者使用了红外光谱和核磁共振（NMR）等方法来追踪固体中原子的键合方式。他们证明，只有处于四面体构型的铝原子（在铝酸钙中）参与反应；如某些铝氧化物中呈八面体构型的铝在室温下保持惰性。随着反应进行，键从硅–氧–硅连接向混合的硅–氧–铝连接转变，构建起长链和网络式的–O–Si–O–Al–O–结构。数据表明，当可反应的硅单元与可反应的铝单元数量大致相当时——即一比一的比例——会形成最稳定且效率最高的结构，这与早期关于天然矿物和古代胶结剂的预测一致。

找到最佳配比

实际施工需要材料既能足够快地硬化，又能获得足够的强度。团队调整了铝酸钙水泥的用量与种类，以及用于“激活”水玻璃的氢氧化钠的添加量。通过浇筑试块并测量其抗压强度，他们发现了一个铝酸钙加入量的最佳范围：强度在此范围内急剧上升然后趋于平稳——超过该点，额外的水泥只会增加成本而不提升性能。他们还绘制了凝结时间如何随着液相中钠与硅的比例变化的图谱。在某一钠含量以下不会发生硬化；当钠与硅接近一比一时，材料会在几小时内凝结，这对施工来说是一个可行的时间窗口。

从沙漠砂到耐久砖块

由于新鲜混合物流动性好且黏度低，它可以结合多种填料和骨料。作者展示了流沙、砾石、石块、膨胀珍珠岩和蛭石等膨胀矿物，甚至木屑和生物炭等有机材料，都能被锁定成坚固的复合材料。由未经清洗的流沙和砾石制成的砖块在4 °C到65 °C的宽温度范围内达到超过40兆帕的抗压强度，可与结构用混凝土相媲美。值得注意的是，冷冻至–21 °C储存的混合物在解冻后仍可施工作业并能正常硬化，这为寒冷气候下的使用提供了灵活性。当加入生物炭时，所得的轻质块体甚至能在其生产中封存的碳量超过制造过程中排放的碳，从而实现净碳储存。

减少混凝土的碳足迹

研究还估算了用这种新胶结剂替代普通波特兰水泥的气候效益。典型结构混凝土仅因窑中石灰石不可避免的分解就会释放大约每立方米140千克CO2（这一数字还不包括燃料消耗）。相比之下，新体系的排放主要来自制造铝酸钙和由碳酸钠制备的氢氧化钠时释放的CO2。对于优化配方且骨料充足的情况，总排放可以比波特兰水泥混凝土减少约三分之二。结合用太阳能为原材料生产和混合供电的可能性，作者认为全球与水泥相关的排放可从约占人类总排放的8%降至低于2%。

熟悉的工艺，更清洁的结果

对建筑从业者来说，最重要的发现之一是这种基于高分子的混凝土在使用上与传统混凝土极为相似：由液相和固体粉料混合、浇筑，并在约十天内保持湿润以完成固化。现有的搅拌机、泵和模具可以重复使用，工人无需特殊再培训。从本质上讲，其化学机制呼应了古罗马混凝土中发现的耐久矿物网络，但所用原料定义明确且广泛可得。如果大规模采用，这种铝酸钙与水玻璃的胶结剂有望使建筑行业在保持现代施工方式的同时，大幅降低这一世界上最重要材料之一的气候影响。

引用: Spangenberg, B., Epping, J.D. A polymer of calcium aluminate and water glass as cement substitute. Sci Rep 16, 14042 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50294-8

关键词: 低碳混凝土, 水泥替代品, 地聚合物胶结剂, 铝酸钙水泥, 水玻璃