标题：替代波特兰水泥的粘合剂可生产可持续的“特殊”混凝土：可行性和未解决的问题
演讲人：Luigi Coppola，贝加莫大学
描述：众所周知，混凝土行业正处于可持续发展的分水岭，重点是减少对环境的影响，提高混凝土结构的性能和使用寿命。砂浆和混凝土对环境造成巨大影响的主要原因之一是波特兰水泥，这是一种能源密集型粘合剂，其特点是温室气体排放量大，天然原材料消耗量高。因此，近年来提出了几种对环境影响较小的替代波特兰水泥的粘合剂。然而，很明显，建筑行业需要的大量材料，加上技术限制、性能不一致和价格问题，使得在混凝土生产中大量替代波特兰水泥几乎是不可能的。尽管如此，由于替代性“绿色”粘合剂在新鲜和硬化状态下具有特殊性能，它们可能在特殊砂浆和混凝土的配制中发挥重要作用。本文介绍了替代性粘合剂（碱性活化材料、硫铝酸钙熟料基混合物）的不同“特殊”应用，例如用于地面无缝板的膨胀混凝土、用于劣质砌体结构的抗震和节能改造的隔热增强石膏、用于现有建筑结构应用的无水泥抹灰以及仅使用再生原材料制成的透水混凝土。
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感谢主席，大家晚上好。在开始之前，我想感谢罗伯托·里阿丰索，他意识到举办这个会议以纪念托尼·南尼和利贝拉托的重要性，并为此做出了努力。为了管理会议的进程并最终完成这次会议，我非常感激。
在深入我的演讲之前，我想强调一下，正如您在图中所见，水泥的增长与全球人口增长是并行的。自上世纪90年代末期以来，中国决定现代化国家，特别是提高人均居住空间，从每人七平方米增加到大约35平方米，这意味着中国的巨大消费。
在短短三年内，中国的水泥消费量与美国整个上世纪的消费量相当。目前，全球水泥的生产约为4.2亿吨，而波特兰水泥的替代品大约占25%。这意味着我们现在生产的水泥有2.8亿吨，使用约1.2亿吨的补充材料。
全球建筑活动约占10亿吨二氧化碳排放的20%到30%，这大约是每人450公斤。尽管水泥生产对环境的影响很大，但根据我个人的观点以及许多主要利益相关者的看法，没有其他材料能够替代水泥混凝土，因为其经济成本较低。因此，波特兰基混凝土在未来50年内不太可能被替代。
在2030年，水泥的需求预计将达到4.8亿吨。如果考虑到全球可用的粉煤灰不超过1.5亿吨，而高炉渣仅有0.3亿吨，需求与替代材料的替代率（主要是天然矿石，尤其是石灰石填料）估计在0.75亿吨左右，包括其他结合剂如某些配方，估计在0.25亿吨。
我们需要的清洁水泥链接不少于2亿吨。因此，我认为不可能完全替代水泥。许多人可能会忽视这一点，即这个行业在减少二氧化碳排放方面非常困难，因为二氧化碳的排放不仅依赖于燃料的燃烧，还与水泥生产过程中的石灰煅烧有关。需要强调的是，因煅烧过程而排放的二氧化碳占65%。即使我们拥有绿色燃料，仍然会有65%的二氧化碳排放到大气中。因此，未来的重点在于二氧化碳的捕集，这是我们正在努力的方向，全球有许多项目在研究这一过程，其中一个是意大利的“清洁关怀”项目。
在这个过程中，我们使用钙循环技术，该技术通过利用基于钙或镁碳酸盐的材料捕集二氧化碳，随后将捕集的二氧化碳作为原材料用于生产。因此，尽管对新替代结合剂的研究在大学中备受关注，但许多研究人员（包括我自己）认为，未来替代水泥的材料需求不会超过5%。同时，我们必须考虑到，生产的水泥中只有70%用于制造混凝土，其余用于特殊应用，替代材料主要可能在这些特殊应用中使用。
我想给大家展示三种可能性，其中一种是基于使用钙铝酸盐，这种材料的环境友好性更强，因为在窑炉中的温度较低，仅为1200摄氏度。此外，钙铝酸盐的熟料易于加工，这意味着在二氧化碳排放和能耗方面都有较低的排放。
钙铝酸盐的主要问题是其在与波特兰水泥结合时的表现，典型的配比为40%波特兰水泥和40%钙铝酸盐，剩余的20%为其他成分。这样，环境参数的优势非常有限，因为全球变暖潜力的减少不到10%。
我们提议完全用高炉渣和其他材料替代波特兰水泥。通过添加酒石酸，我们可以管理混合物的流动性，从而使混凝土在机械性能上与波特兰水泥混凝土相似。更重要的是，这种混合物的稳定性表现良好，在湿度为60%的环境下，几乎没有收缩，这意味着我们可以在没有接缝的情况下建造铺装。
此外，这种混凝土的制备过程与传统的完全不同，无需湿养护，干燥环境下的性能优于湿润条件下的性能。相较于波特兰水泥，全球变暖潜力和能耗都有显著降低。
关于碱活性材料，我们为现有建筑的修复准备了一种石膏，目标是实现10兆帕的抗压强度。我们采用了改良的配方，添加了改性淀粉和纤维，减少收缩率约50%。在环境参数方面，该石膏的全球变暖潜力约为每立方米50公斤二氧化碳，能量需求约为每立方米500兆焦耳。
我们还可以在市场上找到商业产品，这些水泥基材料的环境影响非常高，二氧化碳排放是传统材料的四倍，能耗是两倍。
总之，我们有多种可能性。尽管时间有限，我希望强调的是，我们可以在不使用波特兰水泥的情况下生产混凝土，完全用再生骨料替代天然骨料。正如图中所示，环境参数在相同的抗压强度和渗透性方面都有优势。感谢大家的关注。
