研究人员基于火山岩开发出一种新型水泥配方，可将生产过程中的碳排放量降低约67%，并有望成为当前日益短缺的水泥添加剂的经济替代方案。

水泥是一种将混凝土各组分黏结在一起的工业粉末，是全球使用量最大的建筑材料之一。但它同时也是排放大户：水泥生产约占全球温室气体排放的近8%。

斯坦福大学地球物理学家蒂齐亚娜·瓦诺里奥（Tiziana Vanorio）大约在10年前开始正面应对这一难题。她在意大利波佐利的童年故居地下，发现了一类性质异常的岩石。波佐利位于火山带，地下高温、高压与水共同驱动强烈的化学反应。这些由火山灰形成的岩石被称为“火山灰质材料”（pozzolan），在特定反应条件下具备类似水泥的胶结能力。

这些岩层之所以引起瓦诺里奥的关注，是因为它们在断裂前可以承受极大的形变，同时其成分与古罗马混凝土相近——后者支撑了包括万神庙在内的众多耐久建筑。

作为斯坦福大学多尔可持续发展学院地球与行星科学副教授，瓦诺里奥尝试在一种新的工程配方中复刻这些岩石的特性，使其能够应用于现代水泥体系。

传统水泥高排放的根源

现代水泥生产中，工厂会在大型回转窑中高温加热破碎的石灰石。石灰石主要由碳酸钙构成，加热后会分解为石灰和二氧化碳。随后，在更高温度下，石灰与其他氧化物反应生成一种称为熟料的固体物质，这是水泥的主要活性成分。

石灰石转化为熟料的化学过程贡献了水泥整体二氧化碳排放的近三分之二。窑炉通常依赖化石燃料供能，产生剩余的排放。除了碳足迹高，这一过程在物料利用上也并不高效：加热石灰石时，大约只有一半质量转化为石灰，另一半则变成二氧化碳排放掉，意味着大量被开采和运输的岩石并未进入最终产品。

2021年，瓦诺里奥锁定了一种关键的石灰石替代物，可以在窑炉加热过程中显著减少二氧化碳排放。

她选择了一种储量丰富且几乎不含碳的火成岩。这类岩石在形成时经历过火山活动，内部可释放的碳早已排空。加热这些岩石时几乎不会产生二氧化碳，而是生成一种富含化学活化剂的工程火山灰质材料。这些活化剂共同承担起原本由石灰负责的功能，成为熟料中的关键成分。

瓦诺里奥将这种低碳水泥配方命名为 Phlego。

她与博士后研究员梁成尧合作，使该配方满足行业标准，并在微观层面模仿波佐利地下天然“水泥化”岩石的纤维状结构。目前，她正推动这一科学成果向商业化落地迈进。

从实验室成果走向市场

2025年，瓦诺里奥获得斯坦福多尔可持续发展学院旗下“斯坦福可持续发展加速器”的资助，帮助她和团队将 Phlego 推向市场。通过加速器的活动和项目，她与多家全球水泥企业的代表建立了联系。

“我在加速器的活动中收集了大量信息，帮助我从商业视角理解水泥行业，”瓦诺里奥表示，“水泥脱碳不仅是开发低碳材料的问题，更是如何分配风险的问题。这对我来说是一个关键转折点。”

水泥生产企业的利润空间极其有限。为了满足市场需求，窑炉几乎必须持续运转以生产熟料。任何旨在提升可持续性的制造新工艺，几乎都没有额外成本的余地。

添加剂紧缺与需求上升

目前，一些水泥企业通过部分替代熟料来调整生产工艺，替代物包括工业副产品（如燃煤电厂的煤灰、金属冶炼副产物）以及天然材料（如火山灰）。这些部分替代熟料的物质在行业中被称为辅助胶凝材料（SCMs），可以降低熟料用量。

通过引入辅助胶凝材料，水泥生产的二氧化碳排放得以减少，有助于整个工艺链条的脱碳，同时保持水泥强度，甚至在某些情况下还能提升长期强度表现。

但辅助胶凝材料本身正变得越来越稀缺。随着燃煤电厂逐步退役，煤灰供应持续下降，而天然火山灰只在特定地区可获得。现有材料的化学成分差异也较大，增加了质量控制的难度和成本。

“解决辅助胶凝材料的供应稳定性和成分一致性问题，是降低低碳水泥生产供应链风险的关键一步，”瓦诺里奥指出。

预计未来十年，辅助胶凝材料市场将在需求增长、供应趋紧的双重作用下，以年均约8%的速度扩张。像 Phlego 这样的工程火山灰质材料，有望成为可靠的替代选项，支撑低碳水泥配方的验证与规模化应用。

Phlego 在未来水泥体系中的定位

在加速器的支持下，瓦诺里奥购置了一座窑炉，并扩充团队规模，与研究工程师罗塔娜·海合作，优化 Phlego 作为辅助胶凝材料的配方与性能。她也在寻找具备水泥行业经验的创业合伙人。

瓦诺里奥最初设想，Phlego 只作为石灰石替代物，用于减少熟料相关排放并提高原材料利用效率。如今，她和海进一步探索其作为经济且储量充足的替代品，以缓解当前辅助胶凝材料供应受限的问题。Phlego 被设计为在这两种应用场景中都能稳定发挥作用，而无需水泥厂对现有生产线进行大规模改造。

“在水泥这类减排难度极高的行业，要实现快速而深远的变革，关键不在于激进重构，而在于兼容性，”瓦诺里奥说，“一种可以‘即插即用’的解决方案，能显著降低部署风险。”