《RENEWABLE & SUSTAINABLE ENERGY REVIEWS》：Anti-reflective engineering via moth-eye-inspired nanostructures: fundamental principles, fabrications, and applications
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区域化生命周期方法整合材料选择、生产优化、施工实践与政策框架，分析混凝土全周期排放热点及区域差异，提出因地制宜的低碳策略，强调服务期延长、供应链优化及政策支持对规模化减排的关键作用。
作者：詹江（Zhan Jiang）、李航（Hang Li）、童新阳（Xinyang Tong）、孟伟娜（Weina Meng）、易宝（Yi Bao）
美国新泽西州霍博肯市史蒂文斯理工学院（Stevens Institute of Technology）土木、环境与海洋工程系，邮编07030
摘要
混凝土约占全球人为碳排放总量的8%。减少其碳足迹的努力通常集中在材料替代或工艺效率上，但忽略了地区性因素，如原材料的本地可用性、运输距离、能源网格的碳强度、劳动力能力以及政策环境，这些因素对低碳策略的可行性和有效性有着关键影响。本文采用了一种考虑地区差异的生命周期视角，强调实现可持续脱碳需要结合材料选择、配合比设计、制造过程、施工实践以及根据当地条件定制的政策框架。文章分析了混凝土生命周期中的各个阶段的排放热点，并探讨了包括地区化材料、制造技术、施工方法和供应链优化在内的可行路径。本文将地区差异视为一种约束同时也是一种机遇，提供了关于如何根据当地资源、基础设施和社会经济环境调整生命周期策略的见解。主要发现表明，延长混凝土的使用寿命、建立稳健的供应链以及制定支持性政策对于实现混凝土生命周期碳减排具有重要意义。
引言
混凝土是最广泛使用的建筑材料，估计每年生产量达300亿吨，用于支持基础设施建设[1]。其主要粘合剂——波特兰水泥，占全球人为碳排放量的7%[2]。如果混凝土生产继续以当前速度增长以满足2050年的预期需求，仅这一行业的排放量就将使得将全球变暖限制在1.5°C的目标难以实现[3]。因此，实现混凝土的脱碳已成为全球气候缓解策略中最紧迫的挑战之一。
同时，建筑和拆除活动每年会产生数十亿吨的固体废物，但其中只有少量被回收利用[4]。工业和农业副产品（如粉煤灰[5]、矿渣[6]、硅灰[7]、稻壳灰[8]、废玻璃[9]或生物灰[10]）尽管具有作为辅助胶凝材料（SCMs）或替代骨料的潜力[11][12][13][14][15]，却未能得到充分利用。将这些废弃物纳入混凝土生产可以降低水泥用量并减少填埋场的固体废物，从而带来环境和经济效益[16][17][18][19][20]。然而，废物的可用性、化学成分和质量的差异阻碍了大规模应用。
在管理大量废物的同时减少碳排放的紧迫性凸显了需要一种将材料创新与废物利用策略相结合的综合性方法[21]。应对这一双重挑战不仅是环境上的要求，也是社会经济方面的需求：它影响着建筑成本、地区资源安全以及当地就业创造。本文的写作动机在于迫切需要找到可扩展的解决方案，以在地区面临的限制条件下实现可持续混凝土的发展，同时解决碳排放和废物管理问题。
尽管许多脱碳混凝土的努力都侧重于排放目标，但低碳策略的可行性和影响实际上取决于地区因素。混凝土的生命周期排放受到当地条件的影响，如材料可用性、施工实践、劳动力技能和政策。在某些地区有效的策略（例如在钢铁生产附近使用矿渣基粘合剂[22]）可能由于供应有限、运输距离或耐久性要求不同而在其他地区不切实际或不具备经济性。
气候起着关键作用：炎热潮湿的地区、寒冷的冻融气候以及沿海地区对混凝土的耐久性有不同的要求，这反过来又决定了配合比设计和维护频率[23]。当地的能源结构也会导致地区间的差异[24]。例如，在以煤炭为主的能源结构中，碳化养护[25]或煅烧粘土生产[26]等耗电密集型工艺的碳足迹可能相对较高，而在依赖可再生能源的地区则影响较小。同样，采石场、水泥厂和施工现场之间的运输距离也会影响混凝土的隐含碳和能源消耗，尤其是在需要长途运输的情况下。
施工实践和劳动力能力也因地区而异。工业化地区通常具备所需的基础设施和熟练劳动力，能够采用提高材料效率的先进制造方法[27]。相比之下，许多发展中国家依赖现场浇筑施工，这限制了3D打印[28]或碳化养护[29]等技术的应用。
政策和社会经济环境同样重要。不同地区的碳定价机制、采购标准和建筑规范要求各不相同[30]。尽管技术上已经具备条件，但缺乏财政激励或法规碎片化的地区在实施创新材料方面往往滞后。此外，由于发展中国家通常面临更高的气候脆弱性和较少的低碳选择，公平性问题也显得尤为重要，因此需要制定不牺牲可负担性和安全性的具体地区性路径。
地区间的差异表明，采用一刀切的可持续混凝土方法既不符合技术最优原则，也不具备社会公平性。通过调整材料选择[31]、结构设计[32]、供应链物流[33]、劳动力发展以及支持性政策[34]来使脱碳策略适应地区条件，有可能最大化环境和经济效益，同时提高公众接受度和长期韧性。
本文基于ISO 14040生命周期评估框架[35]，研究了混凝土生命周期各阶段的碳足迹（图1）：材料获取和配合比设计、制造和加工、运输和物流、施工和养护、运营和维护以及报废管理，特别强调了影响各阶段排放和减排潜力的地区因素。与主要关注材料或结构技术创新的传统综述[36][37][38][39][40][41]不同，本文强调了考虑地区因素的必要性，并整合了低碳材料、结构设计、施工实践、供应链物流、政策支持以及社区约束，以实现可行的、可扩展的脱碳路径。
尽管关于水泥和混凝土的生命周期评估（LCA）研究众多，但仍存在三个不足之处。首先，许多研究依赖于静态和通用的数据集，这限制了不同电网、燃料、运输条件和供应链以及工厂性能之间的可比性。其次，背景系统（尤其是电力）和技术部署的时间变化往往未被纳入模型，尽管这些因素可能影响长期基础设施的结论。第三，虽然已有基于情景的预测性或动态LCA应用于水泥和混凝土的研究，但相关证据尚未以一种将情景假设（电网路径、碳捕获与封存技术、燃料转换、碳化时间）与结果和权衡联系起来的方式加以综合。本文通过采用考虑地区差异的时空视角整理文献，并总结了具有代表性的基于情景的预测性和动态研究，填补了这些空白。
本文的研究范围涵盖三个维度：首先，它综合了与混凝土相关的现有生命周期评估（LCA）框架和环境产品声明（EPD）；其次，探讨了考虑地区差异的材料选择和配合比设计方法，同时考虑了地区特定的制造能力和劳动力准备情况；第三，研究了施工实践和社会经济因素，如运输距离、气候驱动的耐久性需求、市场接受度以及影响可持续混凝土倡议成功的碳基政策。
本文的目标有三个：（1）通过回顾现有的LCA方法和清单，分析混凝土生命周期各阶段的排放热点和地区差异；（2）通过比较不同地区的案例研究，评估材料、制造和施工方面的低碳策略的有效性；（3）基于识别出的技术和空间限制（第6节），指出知识空白和未来的研究方向，包括地区生命周期碳数据库、在本地条件下利用人工智能（AI）进行配合比优化，以及在新地区水泥厂中整合新技术。通过提供这些见解，本文旨在指导研究人员、实践者和政策制定者找到实用且符合地区特点的解决方案，将技术创新与当地机会和限制相结合，从而加速向可扩展的低碳混凝土过渡，以实现全球气候缓解目标。
本文的其余部分安排如下：第2节回顾了混凝土的时空生命周期评估；第3节回顾了考虑地区差异的材料选择和配合比设计；第4节回顾了可持续制造和加工；第5节回顾了可持续施工；第6节回顾了影响地区采纳的更广泛背景因素；第7节回顾了面临的挑战和机遇；第8节总结了本文的结论。
部分摘录
混凝土的时空生命周期评估
全面了解混凝土的生命周期碳足迹对于制定既技术合理又适合地区的低碳策略至关重要。LCA提供了评估混凝土结构从材料提取和制造到施工、运营、维护以及报废管理整个生命周期内温室气体排放所需的定量框架。虽然传统的LCA研究已经指出了排放热点，
考虑地区差异的材料选择和配合比设计
材料的选择是实现混凝土脱碳的基础，但其成功不仅取决于低碳粘合剂或骨料的化学性质，还取决于地区的可用性、质量和物流条件。在某一地区表现良好的材料，在其他地区可能由于运输距离和供应链限制而产生不同的排放。考虑地区差异的材料选择能够将技术潜力与当地条件相匹配，确保可持续策略在实践中可行。
可持续制造和加工
虽然配合比设计和材料替代方面的进步对于降低混凝土的隐含碳至关重要，但区域层面的制造和加工实践决定了这些创新能否真正实现其脱碳潜力。为了弥合理论材料属性与实际生产排放之间的差距，本节回顾了考虑地区差异的制造和加工策略的四个关键方面（图10）：
可持续施工
施工阶段在决定低碳技术能否带来环境效益方面起着关键作用。即使使用了绿色粘合剂和节能制造方法，低效的运输物流、养护实践、现场材料浪费以及劳动力技能的不足也会削弱潜在的碳节约效果。这些挑战因地区而异：偏远或山区的长途运输、寒冷气候下的能源密集型养护过程，或是交通拥堵等因素都会影响碳节约效果。
影响地区采纳的更广泛背景因素
尽管在材料、制造、加工和施工方法方面取得了技术进步，但其在实践中的成功仍取决于每个地区的更广泛的社会经济和政策背景。为了超越技术可行性并解决大规模采用的系统性障碍，本节强调了影响可持续混凝土地区采纳的四个关键因素（图12）：
挑战、研究空白和未来方向
尽管低碳混凝土技术取得了显著进展，但其广泛应用仍受到技术、数据、政策和市场障碍的制约。现有的使用寿命模型和LCA工具主要针对传统混凝土进行了校准，往往未能充分考虑替代粘合剂的独特化学性质、微观结构演变和长期碳化行为。同时，地区间的碳数据库差异、法规碎片化以及不足的
结论
本文指出，实现混凝土的脱碳需要一种考虑地区差异的生命周期方法，该方法整合了材料设计、制造过程、施工实践、供应链物流和政策框架。地区差异、气候条件、材料可用性、运输基础设施、劳动力能力、能源结构以及当地政策共同决定了可持续混凝土的可行性和碳性能。使用本地辅助胶凝材料和回收骨料等策略
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：孟伟娜（Weina Meng）获得了美国国家科学院（United States National Academies）的资助。
致谢
本研究由美国国家科学院（United States National Academies）资助[资助编号：SCON-10001241]。
