硅酸镁粘结剂显示出作为碳中和水泥制造路线的潜力

更清洁水泥为何重要

水泥是把我们的建筑、桥梁和道路粘合在一起的“胶水”，但其制造会向大气中释放大量二氧化碳。本文探讨了一种由富镁岩石制成的新型水泥，它有望在保持现代建筑所需强度的同时，大幅减少这些加剧气候变暖的排放。

重新审视世界上最常用的建筑胶

混凝土由石料、砂、水和一种叫做水泥的粉末组成。如今几乎所有水泥都以石灰石为基础，石灰石需要被加热到非常高的温度。这个过程不仅消耗燃料，而且会分解石灰石本身，释放二氧化碳。总体而言，水泥厂约占全球二氧化碳排放的8%，其中来自石灰石的“难以避免”排放尤为难以消除。现有的气候规划通常依赖于捕集并封存这些碳，但相关技术成本高、推广缓慢，并带来长期安全和法律上的问题。

借鉴天然岩石化学的思路

研究人员转向那些在地壳深处自然与水反应的岩石：富含镁的超基性岩，它们通常风化成一种称为蛇纹石的矿物混合体。在自然界中，这些岩石以缓慢的速度变化，长期以来人们认为它们不擅长形成强粘结剂。通过仔细研究镁和硅在遇水时的能量变化和反应速率，团队表明如果适当激活，这一体系实际上可以像传统水泥一样运行。他们的工作表明，一种特殊的高反应性硅酸镁形态在水化时可以形成强且稳定的结合相，类似于标准水泥中形成的胶结相。

把岩石变成可用的水泥

这种新型粘结剂以现有采石场的蛇纹岩为原料。岩石被破碎，在回转窑中加热至约775摄氏度，然后细磨。热处理部分去除矿物中的结晶水并扰乱其晶体结构，使其成为X射线无定形的高反应性粉末。当该粉末与水混合时，它会缓慢溶解并重结晶为非常细的硅酸镁水合相。这些新相将材料粘合在一起，并赋予其与商业波特兰水泥相当的抗压强度，正如28天强度测试所示。现场操作大体类似于标准水泥，尽管新粘结剂目前需要更高剂量的减水剂以在低用水量下获得良好流动性，并且仍需开发定制的外加剂。

在实际结构中的性能

硅酸镁粘结剂与当今混凝土有一些重要差异。硬化材料内部的孔隙水碱性较低，pH约为10而不是13。高碱性通常有助于保护钢筋免于生锈，因此这一变化对耐久性提出了疑问。然而，对类似粘结剂的其他研究表明，更细的孔隙结构和较低的电导率可以抵消较低的pH，作者建议在需要时使用涂层钢筋或替代纤维。粘结剂硬化时释放的热量也更低，这可能有利于非常大的混凝土构件，减少开裂。总体强度和施工性使其适用于许多商品混凝土和预制构件，但对长期耐久性和与常用外加剂的兼容性仍需更多测试。

地球上有足够合适的岩石吗

要对气候产生实质影响，任何新型粘结剂都必须在大规模上生产。团队分析了36个产水泥国家的蛇纹岩矿床全球地质数据库。在其中28国，已知资源如果完全被新粘结剂取代，足以支撑当前水泥产量超过一世纪的需求。有些国家甚至可以出口材料。数据库覆盖不全的地区，如非洲和南美的部分地区，作者通过文献研究补充数据，并以埃及和尼日利亚为例。这些案例研究表明，即使在地图不完整的地区也存在重要的蛇纹岩矿床，但同时也强调了在做出大规模投资前需要更详细的本地勘查。

这能实际节省多少碳

由于蛇纹岩本身不含内在的二氧化碳，新粘结剂避免了加热石灰石时发生的化学排放——目前这类排放约为每吨常规水泥熟料释放约600公斤二氧化碳。它还需要较低的窑温，可通过电加热实现。利用面向未来的欧洲能源情景，作者模拟了随着电力系统从化石燃料转向可再生或核能，硅酸镁粘结剂生产的排放如何下降。如果欧洲工厂逐步改装或替换现有水泥窑，以便到2050年所有熟料均为镁基且由碳中和电力驱动，累计避免的排放可达约20亿吨二氧化碳。在该情景下，欧洲水泥的年度排放降至每年仅数百万吨，相较于今天约减少97%。

通往气候友好混凝土的可能路径

研究得出结论：来自蛇纹岩的硅酸镁粘结剂有望在本世纪中叶成为近碳中和混凝土的技术基础，至少在那些能源供应和原料条件合适的地区是可行的。该工艺与现有工业设备契合，避免依赖大规模碳捕集与封存，并利用分布广泛的岩石资源。挑战仍然存在，包括详尽的耐久性研究、定制化学外加剂、监管审批以及工厂改造所需的巨大速度。尽管如此，这项工作表明，重新思考水泥背后的矿物成分，可能在减少这一世界上最重要材料之一的排放方面发挥重要作用。

引用: Naber, C., Majzlan, J., Moosdorf, N. et al. Magnesium silicate binder shows potential as a carbon-neutral route for cement manufacture. Commun. Sustain. 1, 79 (2026). https://doi.org/10.1038/s44458-026-00085-z

关键词: 低碳水泥, 硅酸镁粘结剂, 蛇纹岩, 水泥脱碳, 建筑材料