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低碳

在传统工业中（比如机械，土木），工业产品的第一功能属性已经被开发的差不多了，新的具有市场前景的功能往往需要基础科学领域有重大的突破。就混凝土制品来说，最近几十年当中这样的突破是几乎没有的。所以低碳被提到了很高的高度。水泥的生产大概占全世界碳排放的8-10%，对于单个工业产品说，是很大的一块。发达国家越来越重视低碳，相关的科研经费也很多，他们的研究也基本引领全世界。

但是怎么实现低碳混凝土，就很多说法了。大概可以总结成以下两种方式吧：

1、完全水泥替代品：

粉煤灰，矿渣代替水泥的研究已经很多了，成熟的工业制品也到处都是，已经算不上科研热点了。但是这些工业废料不能完全替代水泥。最近研究比较多的完全水泥代替品是活性氧化镁(Reactive MgO)，在遇水以后变成氢氧化镁(Mg(OH)2)，然后被空气中的二氧化碳碳化成有强度的碳酸镁(MgCO3)。因为活性氧化镁的生产大概需要800度的烧结，远远低于水泥的生产，而且在硬化过程中自己能吸收大气中的二氧化碳，所以有很好的减碳效应。除此以外，如果用高碱性的溶液来水化（其实这个词不太准确）粉煤灰矿渣，在50-70度的温度中养护，硬化以后的材料也会有很好的强度。这种材料叫Geopolymer，完全不用水泥。最近，焚烧垃圾也被用来研究看能不能代替水泥，好像进展还挺快的。

2、混凝土结构的耐久性：

如果能用的久一点，结构维修和重修中的混凝土就能省下不少。但是耐久性是一个相对笼统的词，对不同的建筑结构，导致结构失效的机理各不相同。比如公路，疲劳荷载和温度效应是裂缝扩展的主要原因；比如海堤，氯离子对混凝土内钢筋的腐蚀是主要原因。这些问题都可以通过良好的结构设计来缓解，但是材料本身的性能也很重要。就拿钢筋腐蚀来说吧，过去的研究都集中在怎么降低海水在混凝土基体的迁移速度，但后来发现其实一旦有了裂缝，混凝土基体再密实都没有用，所以现在大家很关心裂缝的控制，其中有一个很大的研究分支就是能自愈合的混凝土。

其实只要有雨水，水泥制品本来就有自愈合的能力：基体中Ca2+离子被水溶解带到裂缝处，然后被空气中的二氧化碳碳化形成碳酸钙(CaCO3)修补裂缝。但是，普通混凝土中的裂缝都太宽了，其中的PH值不适合生成碳酸钙。所以最近很多人在研究怎么用纤维来控制裂缝宽度。当然，像能生成碳酸钙的细菌，能遇空气硬化的化工制品，也都被放到混凝土里，以增加自愈合的效果。

混凝土的耐久性是一个很复杂的事。温度，湿度，离子浓度，荷载还有其他很多原因的耦合作用是很难量化的。其中有很多可以研究的点，但不是每一个点都能立竿见影带来减碳效果的。

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新功能

现在还有一个很重要的趋势就是往混凝土里添加新功能，就是所谓的Smart Concrete。我所知道的有以下几条：

1、自清洁(Self-cleaning)：在混凝土中加入二氧化钛，能吸收汽车尾气中的一些有害物质。

2、自监测(Self-sensing)：在混凝土中加入导电的纤维，通过测量电阻率的变化，能够了解裂缝的扩展情况。

3、温度自测(Self thermo-sensing)：利用混凝土本身的塞贝克效应，来自测混凝土的温差。

相关文献直接搜关键词+concrete都应该能找到的就不列了。

以上讲的都是比较中游的研究，就是怎么利用材料工程和物理化学知识来研发新的混凝土。比较上游的研究主要集中在水泥化学上，当然新加入的成分的化学物理属性也会有人研究；比较下游的就是解决利用新研发混凝土解决实际结构中的问题，比如说冲击荷载啊，工作性啊等等。

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日本行业趋势

日本行业内的大趋势是混凝土的维护，维护不光是后期；在刚浇筑完，硬度起来以后就可以先期维护了。

日本现在面临的问题，国内大概在10年以内也会集中爆发，举例来说：建成50多年的东京的首都高速，使用量最多的是钢材，其次才是混凝土，但是混凝土劣化的情况明显比钢材方面严重的多。日本舆论一度争论到底是应该把现有的高速炸掉重建还是勉强维持，行业专家的意见是长远来看、炸掉重建省钱！安全！但是碍于现实情况、日本政府没钱，东京地太小，重建期间没有可以替代的路线使用。最后结果当然是现实情况优先，每年拨巨资维护，拆东墙补西墙。据说10年的维护费用就可以重建一个首都高速了，但是日本政府也没有其他选择。

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热点即是缺点

混凝土永远的热点就是其缺点——裂缝，低抗拉抗弯；相关数学模型及理论，现场高流动性要求及施工养护问题。混凝土是个复杂复合材料，生产的预拌混凝土是半成品，施工是极其重要的过程，不然试验做得好，施工不行，白费。说点题外话，热点不一定是好事。当年材料科学基础老师研究一种合金低温超导，当时那类合金是热点，结果研究了十多年，全世界也没任何突破，黄金时间，可惜。在热点面前也要保持理智，比如水泥替代品，氧化镁这种就是实验室玩玩写写论文而已，实际应用不现实，资源分布、开采成本和碳酸钙类的矿石没法比。

不管哪个方向再如何高大上，于宏观层面而言，尽可能的替代水泥用量依然是当前最急需解决的问题。但是混凝土本身行业性质决定了，这种变革性的变化不会发生得那么快！

从学术上讲，大量混凝土耐久性方面的机理研究依然停留在假说的层面上，如果有人敢说：我现在不用水泥就用我研发的新材料，各方面都可以很OK，那这人绝对是个大忽悠货。换句话说哪怕有人研究出了特牛的水泥替代材料，用目前各种耐久性预测方法和试验做过了都没有问题，谁能保证盖的建筑30年以后不出问题？恐怕10年也不敢保证吧，毕竟现在质量问题都是终身问责制了。这也是目前在学术成果转化上遇到的一个难点，我说我做的同标号的混凝土用的水泥量少，每方能节省100元成本，老板们第一个想法是那咱们就干，准备上马项目的时候肯定还要咨询混凝土界待了多年的一线工程师们，结果工程师们一看配比傻眼了，水泥用这么少，从来没见过，反复论证多次，最后不了了之。导致这个行业的变革都是一小步一小步的向前迈进，谁都怕步子大了扯着。

来源：砼学研究所