以硅酸盐衍生钙为通路的低碳波特兰水泥

为什么岩石关系到更清洁的城市

水泥是现代生活中隐形的粘合剂，支撑着我们的住宅、桥梁和摩天大楼。然而制造水泥释放的碳污染几乎与全球所有小型汽车相当。该研究探讨了一种令人意外的方式，在继续使用熟悉的波特兰水泥的同时大幅降低这些排放：不要以粉质的石灰石为起点，而是以暗色的火山岩如玄武岩为原料。

一种安静却巨大的气候污染源

普通波特兰水泥主导全球建筑业，因为它易于理解、广泛可得，并有世代建筑经验作为支撑。但其主要成分——来自石灰石的钙——带有内生的碳代价。当加热石灰石以制造水泥时，石头中的碳以二氧化碳形式释放，同时还需燃烧更多燃料以把窑炉加热到极高温度。这些步骤合计使水泥约占人类温室气体排放的4.4%，相当于地球上所有轻型车辆的排放总和。

一种含有相同有用元素的不同岩石

作者指出，地球上大多数钙实际上并不在石灰石中，而是在玄武岩和辉长岩等硅酸盐岩中，这些岩石中的钙与硅和氧结合，几乎不含碳。通过绘制全球地质图，他们展示了这些岩石分布于许多国家，能够为水泥生产者提供数十万年的供应。虽然每吨玄武岩所含的钙比石灰石少，但总体可及资源量巨大，而且关键是，在加热时不会释放岩石自身的碳。

玄武岩如何制造出熟悉的水泥

将玄武岩转化为波特兰水泥比传统路线更为复杂，因为其钙被分散在其他元素中。利用热力学分析，研究团队比较了从不同矿物制备水泥所需的最小理论能量。他们发现，理论上将富钙硅酸盐转化为波特兰水泥所需的能量，可能不到从石灰石出发所需能量的一半，同时避免了来自岩石本身的碳释放。论文描述了一条基于现有工业步骤的可行路径：用酸从岩石中萃取钙和其他金属，利用电力分离并回收这些化学品，然后在类似于现有工厂的窑中加热所得的钙化合物。即便在尚未优化的保守设计下，来自岩石的过程排放可降至零，并且在计入有价值的副产品后总体能耗可以降低。

单一采石场带来的不仅仅是水泥

玄武岩不仅是钙的来源。它还含有大量的铁、铝和二氧化硅——这些正是用于炼钢、铝金属以及混入水泥中的补充材料的原料。如果未来的工厂在满足全球水泥供应所需的规模上精炼玄武岩，研究表明它们也可能从同一岩石流中满足当前钢铁、氧化铝和水泥添加剂的大部分或全部需求。这可以减少矿山废料、降低独立矿山的数量，并创造新的收入以帮助支付更清洁水泥生产的成本。

为何坚持熟悉的水泥仍然重要

已有许多替代水泥被提出，它们采用不同化学成分并减少钙用量，通常伴随更低的排放。但它们几乎未能进入市场，因为建筑者和监管者对用于需经受数十年并保障人员安全的结构物中未经充分验证的新材料持谨慎态度。作者使用一个简单的风险模型论证说，可能需要数千座真实建筑和数十年的观察，新的水泥才能获得广泛信任。相比之下，由玄武岩制成但工程性质与普通波特兰水泥相同的水泥，更容易融入现有标准、设计规范和施工实践。

用熟悉的工具构建低碳未来

简而言之，论文得出结论：我们或许可以继续使用同一类水泥，但改变起始岩石及其处理方式。通过从无碳的硅酸盐岩中提取钙、精炼出钢铁和铝等副产品，并以更清洁的能源驱动工艺，作者认为水泥可以实现很少或几乎不排放碳，有可能抹去那一占比4.4%的全球排放份额。这种方法并不会取代诸如更好的建筑设计、循环利用或碳捕集等其他策略，但可以与它们并行，帮助城市发展而不锁定当前的气候代价。

引用: Prancevic, J.P., Finke, C.E., Peterson, E. et al. Silicate-derived calcium as a pathway to low-carbon Portland cement. Commun. Sustain. 1, 78 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00056-4

关键词: 水泥排放, 玄武岩水泥, 低碳建筑, 工业脱碳, 波特兰水泥