低碳混凝土发展路径和混凝土碳排放计算.pdf

新型建筑材料圆园23援110引言气候变化是当今人类社会面临的共同挑战，加快推进清洁能源与低碳的发展，已经成为国际社会的普遍共识，我国也在积极采取措施节能减排。力争 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和1。国家发展和改革委员会提出的关于“十四五”大宗固体废弃物综合利用的指导意见 和 关于加快推进大宗固体废弃物综合利用示范建设的通知提出了混凝土胶凝材料及骨料的低碳化等要求。据中国建筑材料联合会发布 中国建筑材料工业碳排放报告（2020 年度），我国建材工业 2020 年 CO2排放 14.8 亿 t，其中水泥工业 CO2排放 12.3 亿 t，占建材行业 CO2排放的 83%，占全国碳排放的 16%（2019 年数据），约有 70%以上的水泥制成混凝土应用在建筑领域。因此，混凝土低碳发展对于实现“双碳”目标有着重要作用。1低碳混凝土混凝土是目前最大宗的建筑材料之一，广泛应用于基础设施建设，包括铁路、公路、水利、核电、建工等。近年来，我国的混凝土产量和用量可达到世界总用量的 50%以上，在混凝土生产和应用的过程中排放出大量的 CO2，特别是水泥的生产过程中，碳酸钙分解释放的过程排放出大量的 CO2，因此，如何使混凝土实现全过程低碳，对于实现碳达峰和碳中和的目标具有重要的意义2-4。吴中伟院士5提出发展绿色低碳混凝土要用整体论的科低碳混凝土发展路径和混凝土碳排放计算夏京亮1，2，3，王晶1，2，3，冷发光1，2，3（1.中国建筑科学研究院有限公司，北京100013；2.国家建筑工程技术研究中心，北京100013；3.建研建材有限公司，北京100013）摘要：结合混凝土性能特点，从混凝土生产、服役和废弃阶段论述了低碳混凝土发展思路，包括发展低碳胶凝材料、推动矿物掺合料技术发展、提高混凝土骨料的质量、提升混凝土耐久性、重视混凝土使用寿命、加大废旧混凝土再利用等。对国内外混凝土碳排放计算方法进行了调研，为相关标准规范的制定提供参考。关键词：碳中和；碳达峰；低碳混凝土；碳排放计算中图分类号：TU391文献标识码：A文章编号：1001-702X（2023）11-0024-03Low carbon concrete development pathway and concrete carbon emission calculationXIA Jingliang1，2，3，WANG Jing1，2，3，LENG Faguang1，2，3（1.China Academy of Building Research，Beijing 100013，China；2.National Research Centre for Construction EngineeringTechnology，Beijing 100013，China；3.Jianyan Building Materials Co.Ltd.，Beijing 100013，China）Abstract：Combined with the characteristics of concrete，this paper puts forward the low-carbon concrete development ideasfrom the concrete production stage，concrete service stage and concrete abandonment stage respectively，specifically including the de原velopment of low-carbon cementitious materials，promoting the development of mineral admixture technology，optimizing concrete ag原gregate quality，enhancing the durability of concrete，attaching importance to the extension of the concretes service life，and increas原ing the recycling of waste concrete.It also investigated the related research and standardization of concrete carbon emission calcu原lation methods at home and abroad，providing reference for the formulation of related standards and specifications.Key words：carbon neutral，carbon peak，low carbon concrete，carbon emission calculation基金项目：国家重点研发计划项目（2016YFC0701000）收稿日期：2022-12-01作者简介：夏京亮，男，1984 年生，博士，高级工程师，E-mail：xiasnxi原。通讯作者：冷发光，博士，E-mail：。中国科技核心期刊24晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂学思想，需考虑混凝土全生命周期内的各个环节，包括原材料、混凝土生产、施工、服役以及再生利用等。因此，低碳混凝土应从减少混凝土原材料碳排放、提高混凝土耐久性、加强混凝土的修补维护、拆除混凝土再利用等几个方面考虑。1.1混凝土生产阶段1.1.1发展低碳胶凝材料低碳水泥生产方面，可以通过提高粉磨效率、改进水泥烧结窑炉、利用窑炉余热以及使用较为清洁的燃料等技术措施提高能源的利用率，降低生产水泥所需的能量，达到减碳目的。发达国家将厨余垃圾、城市中的固体废弃物以及河道污泥等作为水泥生产的燃料，在一些水泥生产厂家中得到应用，极大地节约了能源消耗，达到减碳的目的。另一方面，对窑炉的尺寸、构造等进行升级设计，也能取得较好的减碳效果。很多水泥厂利用水泥生产窑炉中的余热进行生活用水加热、冬季取暖、沐浴等，实现了余热回收利用，减碳效果较佳。目前水泥生产较多采用新型干法回转窑系统中，气相和固相之间的相互传热效果较好，利用生产过程中低温废气的余热发电同样可以节约大量的能源，达到减碳的目的6。目前主要的低碳胶凝材料方向包括：碱激发胶凝材料、地聚物胶凝材料、LC3低碳胶凝材料、低熟料水泥等。1.1.2推进矿物掺合料技术发展目前，部分高性能混凝土采用矿物掺合料代替部分水泥，使混凝土有更好工作性和耐久性，同时可用降低水化升温。发展低碳混凝土的有效途径：（1）减少水泥熟料的生产和应用，合理充分利用各类工业废渣，如微硅灰、磨细矿渣粉、粉煤灰、煤矸石、镍铁渣、钢渣等，以满足高速发展的混凝土工程的巨大需求。（2）随着机制砂的推广，合理利用机制砂生产过程中产生的石粉，将大大降低混凝土中的水泥用量，从而实现减碳发展。在肯尼亚蒙内铁路建设中，由于肯尼亚缺乏矿粉、粉煤灰等传统的矿物掺合料，但火山灰资源较充足，该项目采用天然火山灰作为矿物掺合料替代粉煤灰，应用于项目施工中，取得了良好的效果，为国内外低碳混凝土发展提供了参考7-9。将由工业废渣作为矿物掺合料应用于混凝土中是节约资源、降低能源消耗、减轻环境负荷的有效手段，是实现低碳混凝土的必然途径。1.1.3优化混凝土骨料骨料在混凝土中起到骨架作用，提高混凝土体积稳定性的同时减少水泥的使用量，对混凝土性能影响较大，是混凝土生产的主要原材料之一，占混凝土总体积的 70%，优化混凝土骨料对于发展低碳混凝土具有重要意义7。目前很多地方的河砂开采受限，不得不采用远距离运输，在运输过程中消耗大量的汽油，产生大量的碳排放。因此，应在混凝土的生产过程中应提高机制砂的使用率。然而应用机制砂仍存在诸多问题，比如：（1）机制砂的粒径分布不如天然砂均匀，过多的细颗粒或粗颗粒导致混凝土的工作性能不稳定，影响混凝土的强度及耐久性；（2）机制砂中粉尘、黏土和泥土颗粒含量较高，这些颗粒会附着在砂粒表面，一方面影响混凝土工作性能，另一方面影响混凝土的力学性能和耐久性能；（3）机制砂的颗粒形状不规则，棱角分明，与天然砂相比，其颗粒表面积较大，达到相同的流动度需要更多的浆体包裹，将导致混凝土的收缩增加，影响混凝土的抗裂性能；（4）机制砂中的某些矿物含有高碱骨料反应性成分，例如含有反应性硅酸盐，导致混凝土中的碱-骨料反应（AAR）问题，影响混凝土的耐久性能。因此，需要开展系统的研究工作，推广机制砂在混凝土中的应用。在城市更新过程中，老旧建筑被拆除产生大量的建筑垃圾，利用建筑垃圾制备再生骨料，一方面是解决砂石短缺难题，另一方面固体废弃物再生利用，达到减碳目的。建筑垃圾再生骨料应用同样需要解决诸多难题，比如：（1）再生骨料的质量和性质难以保证一致性，因为其来源和成分差异较大，导致混凝土的性能不稳定；（2）再生骨料粘附有水泥浆体，其吸水性较高，使用再生骨料需要调整混凝土配比中的用水量和水泥用量，以确保适当的水灰比和混凝土强度；（3）再生骨料通常比天然骨料具有更低的强度和更高的吸水性，这会影响混凝土的强度、耐久性能和抗裂性能；（4）再生骨料中存在一些潜在的污染物，如有害金属或化学物质，因此，在使用再生骨料时，需要确保对其进行适当的检测和处理，以确保混凝土的安全性和环境友好性。随着我国冶炼工业的高速发展，全国每年冶炼渣的排放量可达数亿吨，大多数冶炼渣只能堆存填埋处理造成巨大的环境污染与经济损失，如何处理及利用冶炼渣已成为亟需解决的重要问题。部分冶炼渣结构密实、质地坚固，且物理化学性能稳定，具有作为骨料使用的基本性能，一些研究成果与生产试用工作也反映出其应用的可行性。然而，由于冶炼渣种类繁多，同类冶炼渣的矿源与生产工艺也有不同，产生的冶炼渣在化学组成和性能存在较大的差异，作为骨料易引起后期安定性不良或出现溶出有毒物等问题，必须通过试验研究制定相应标准进行规范，并对其应用范围进行划分。在我国巨大工程建设量的背景下，将冶炼渣作为骨料应用，是一条消纳冶炼渣的重要途径，对于推动冶炼渣的资源化利用和混凝土低碳发展具有重要意义。1.2混凝土服役阶段1.2.1提升混凝土耐久性夏京亮，等：低碳混凝土发展路径和混凝土碳排放计算25新型建筑材料圆园23援11延长工程的服役时间可以减少资源浪费，是节约能源和保护环境的关键措施之一。因此，提高混凝土耐久性，提升工程质量，是实现低碳混凝土发展的基本原则之一10。未来，将持续围绕减少混凝土行业环境与资源负荷、降低能源损耗、提高混凝土耐久性、开发新型低碳高性能混凝土等方面展开研究。1.2.2重视混凝土结构延寿加大混凝土工程和建筑的维护和修复是提升建筑耐久性能的重要手段之一，因为混凝土结构的服役寿命不仅受到混凝土材料的耐久性能的影响，也受到结构所处环境的影响。环境侵蚀（冻融、干湿循环、硫酸盐侵蚀、氯离子侵蚀、风蚀等）将使混凝土结构性能劣化。因此加大对混凝土服役过程的修复和维护工作，不仅可以确保混凝土结构的正常使用寿命，还可以有效延长混凝土结构的寿命，减少混凝土材料的消耗，实现低碳发展11。1.3混凝土废弃阶段低碳混凝土是全生命周期的低碳，混凝土在完成服役使命拆除后，如果只是简单的填埋处理，不仅污染环境也造成资源浪费。因此为发展低碳混凝土，必须开发利用废旧混凝土，研究科学的加工工艺，分析废旧混凝土的组成，加工为再生粗骨料、再生细骨料以及再生砂粉等，再次用于混凝土生产和施工，达到低碳发展的目的11。2混凝土碳排放计算巨大用量的混凝土除消耗大量的水泥以外，还需消耗砂石、粉煤灰、矿粉等大量原材料，在生产和运输过程中也会消耗大量能源，直接或间接地排放了大量的 CO2。因此，在“双碳”目标的前提，计算 CO2排放量是实现其低碳发展的基础，将是整个行业都需要思考的问题，对于落实好“碳达峰、碳中和”具有重要的意义。2.1混凝土碳排放计算研究现状目前，对于混凝土的碳排放计算，国内外没有统一的标准方法。虽然国外学者有一些研究成果，但侧重点各有不同。Radlinski 等12计算了原材料生产、运输、混凝土生产及混凝土结构运行维护时碳排放，但缺少计算的方法和依据的详细表述。Dias 和 Pooliyadda13计算得到混凝土碳排放量为 312kg/m3，但是对于混凝土原材料和生产的混凝土运输过程中的碳排放没有计算在内。Peng 和 Sui14以工程使用的混凝土预制柱为对象，计算了混凝土原材料生产和运输过程中的碳排放。我国针对混凝土碳排放量计算的研究刚刚兴起。俞海勇等15以混凝土原材料的生产为起点，以混凝土产品运输至工程现场为终点，计算了整个过程中的单位预拌混凝土产品的碳排放量。2.2混凝土碳排放计算标准化GB/T513662019 建筑碳排放计算标准，给出了建材生产阶段、运输阶段的碳排放计算公式，其中生产阶段碳排放因子宜选用经第三方审核的建材碳足迹数据，当无第三方提供时，缺失值按标准附录计算，附录中仅规定了 C30 混凝土碳排放因子为295 kgCO2e/m3，C50 混凝土为 385 kgCO2e/m3，未考虑其他强度等级的混凝土，且较为简化，未考虑原材料生产及运输、混凝土配合比等具体情况，对于计算整个建筑碳排放具有重要意义，而对于精细化指导预拌混凝土行业碳排放计算与评价尚不成熟。GB/T 149022012 预拌混凝土、GB/T 251812019 预拌砂浆、GB/T410542021 高性能混凝土技术条件 以及 JGJ/T3852015 高性能混凝土评价标准、JGJ/T 3282014 预拌混凝土绿色生产及管理技术规程，在采用绿色生产、工业固废利用等方面已经融入了低碳发展理念，但缺少定量计算与碳排放评价的规定。3结语（1）为实现混凝土低碳发展的目标，应发展低碳水泥、优化混凝土骨料、加大使用矿物掺合料、提高混凝土耐久性、加强混凝土结构修复和维护、促进废旧混凝土的再生利用。（2）混凝土碳排放计算是发展低碳混凝土的基础，目前国内外在混凝土碳排放计算方面均有一定的研究，但尚缺乏系统性计算方法。（3）混凝土碳排放计算方法标准化已有部分成果，但对于精细化指导混凝土行业碳排放计算与评价体系尚不成熟，亟需制定新的标准规范。参考文献：1高世楫，俞敏.中国提出“双碳”目标的历史背景、重大意义和变革路径J.新经济导刊，2021（2）：4-8.2蒋正武，尹军.可持续混凝土发展的技术原则与途径J.建筑材料学报，2016，19（6）：957-963.8韩建国，阎培渝.绿色混凝土的研究和应用现状及发展趋势J.混凝土世界，2016（6）：34-42.3林远煌，彭春元，韦虹，许显坚，韩映忠.低碳混凝土问题思考J.材料研究与应用，2010，4（4）：618-621.4吴中伟援绿色高性能混凝土混凝土的发展方向J援混凝土与水泥制品，1998（1）：3-6.5马忠诚，汪澜.水泥工业 CO2减排及利用技术进展J.材料导报，2011，25（19）：150-154.6温欣岚，雷瑜，夏京亮，等.东非地区大吸水率骨料对混凝土性能（下转第 85 页）夏京亮，等：低碳混凝土发展路径和混凝土碳排放计算26晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂晕耘宰 月哉陨蕴阅陨晕郧 酝粤栽耘砸陨粤蕴杂（上接第 26 页）的影响研究J.新型建筑材料，2017，44（7）：126-129.7夏京亮，杜飞，周永祥，等.粉磨工艺对天然火山灰性能的影响J.混凝土，2019（5）：62-65.8夏京亮，高波，周永祥，等.非洲天然火山灰混凝土抗氯离子渗透性能改善研究J.混凝土，2017（11）：19-22，26.9杨胜江援高耐久性混凝土与普通混凝土高耐久性实现途径J援建材发展导向（下），2013（3）：311.10蒋正武援混凝土修补的整体方法论C椅中国土木工程学会.第七届全国混凝土耐久性学术交流会援宜昌，2008，85-93援11王程，施惠生援废弃混凝土再生利用技术的研究进展J援材料导报，2010，24（1）：120-124援12Radlinski M，Harris N J，Moncarz P D.Sustainable Concrete:Impacts of Existing and Emerging Materials and TechnologiesontheConstructionIndustryC/ArchitecturalEngineeringConference（AEI）2011.13Dias W P S，Pooliyadda S P.Quality based energy contentsandcarboncoefficientsforbuildingmaterials：AsystemsapproachJ.Energy，2004，29（4）：561-580.14PengW，SuiPhengL.ManagingtheembodiedcarbonofprecastconcretecolumnsJ.JournalofMaterialsinCivilEngineering，2011，23（8）：1192-1199.15俞海勇，王琼，张贺，等.基于全寿命周期的预拌混凝土碳排放计算模型研究J.粉煤灰，2011，23（6）：42-46.蒉（3）预制泡沫用量与湿密度之间有明显相关性，制备的磷石膏基地质聚合物泡沫轻质土的初凝时间为 173204 min，终凝时间为 281400 min，软化系数为 0.720.84，28 d 抗压强度为 1.86.2 MPa。参考文献：1李东旭，焦嘉伟，廖大龙.我国磷石膏在新型建筑材料行业的发展及思考J.新型建筑材料，2021，48（11）：1-4，11.2匡一成，李进辉，丁庆军，等.水泥对大掺量磷石膏泡沫混凝土的影响J.新型建筑材料，2023，50（8）：145-149.3郑磊，陈宏坤，王怀利，等.我国磷石膏综合利用现状与发展建议J.磷肥与复肥，2017，32（3）：33-35.4宗炜，张厚记，林小玉，等.磷石膏在公路建设中的循环利用研究现状J.建材世界，2022，43（1）：10-12，22.5杨再银.扎实推进磷石膏综合利用加快修复长江生态环境J.磷肥与复肥，2021，36（9）：4.6田家新，彭伟军，苗毅恒，等.磷石膏漂白煅烧增白工艺研究J.矿产保护与利用，2021，41（3）：76-80.7冯洋，杨林，曹建新，等.磷石膏煅烧改性制备自流平砂浆的研究J.硅酸盐通报，2020，39（9）：2891-2897.8克高果，夏正求，罗辉，等.煅烧磷石膏改性磷石膏废料的路用性能J.土木工程与管理学报，2018，35（4）：58-64.9Wang T，Gao X J，Wang J.Preparation of foamed phosphogypsumlightweight materials by incorporating cementitious additivesJ.Materials Science，2019，25（3）：340-347.10胡彪，吴赤球，吕伟，等.改性磷石膏矿渣水泥在混凝土和路基材料中的应用研究J.混凝土与水泥制品，2022（4）：94-99.11高育欣，麻鹏飞，程宝军，等.掺和料对磷石膏复合胶凝材料性能影响研究J.非金属矿，2021，44（2）：102-106.12姜关照，吴爱祥，王贻明，等.生石灰对半水磷石膏充填胶凝材料性能影响J.硅酸盐学报，2020，48（1）：86-93.13胡勇，龚小梅，张豪，等.蒸压改性磷石膏作为水泥缓凝剂的研究J.建材发展导向，2021，19（16）：9-11.14毕寿兰，文玉，李雪琼.磷石膏在建材行业的利用方案探究J.建材发展导向，2020，18（8）：24-25.15王晨希，吴文瞳，郑蕾，等.地质聚合物应用于环境治理领域的研究进展J.现代化工，2021，41（3）：63-67.16Rasaki S A，Zhang B X，Guarecuco R，et al.Geopolymer for usein heavy metals adsorption，and advanced oxidative processes：acritical review J.Journal of Cleaner Production，2019，213：42-58.17Sarkar C，Basu J K，Samanta A N.Experimental and ki neticstudy of fluoride adsorption by Ni and Zn modified LD slagbasedgeopolymerJ.ChemicalEngineeringResearchandDesign，2019，142：165-175.18宋学锋，李鑫艳.改性多孔地质聚合物同步脱氮除磷试验研究J.非金属矿，2021，44（3）：83-86.蒉杨帆，等：磷石膏基地质聚合物泡沫轻质土制备及性能研究85