为低碳混凝土发展插上技术创...院院士、东南大学教授刘加平_赵刚.pdf

住宅与房地产HOUSING AND REAL ESTATE102020 年 9 月，习近平总书记在第七十五届联合国大会上，代表中国向世界庄严承诺：中国二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和的战略目标（碳达峰和碳中和以下简称为“双碳”）。2021 年 10 月，国务院发布了2030 年前碳达峰行动方案，全面部署了降碳减排工作。低碳混凝土是建筑的基石，发展低碳混凝土是实现“双碳”战略的重要组成部分。从习近平总书记提出“双碳”战略发展目标，到落实国务院2030 年前碳达峰行动方案的今天，我国低碳混凝土发展情况如何？2023 年 2 月 22 日上午，本刊特约记者走进深圳住建科技创新大讲堂，专访了混凝土收缩裂缝控制和超高性能化领域的学术带头人、中国工程院院士、东南大学首席教授刘加平。低碳混凝土发展应势而谋记者：在低碳混凝土发展方面，国家出台了哪些战略性和纲领性的政策文件？刘加平院士：一是，习近平总书记提出了战略发展目标，即二氧化碳排放力争于 2030 年前达到峰值，努力争取 2060 年前实现碳中和。二是，国务院发布了2030 年前碳达峰行动方案，文件明确指出“加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用”，这可以为低碳混凝土发展插上技术创新的翅膀专访中国工程院院士、东南大学教授刘加平文/Article 本刊特约记者 赵 刚刘加平，中国工程院院士，东南大学首席教授，博士生导师，高级土木工程材料国家重点实验室主任，土木工程材料专家，混凝土收缩裂缝控制和超高性能化领域的学术带头人。发展了收缩开裂的理论体系，创新了超高性能混凝土技术，建立了减缩抗裂、力学性能提升和流变性能调控三个关键技术群，发明了系列功能材料，成功应用于 110 余项重大工程。科研成果突破了收缩裂缝控制的国际难题，引领了超高性能混凝土的工程化应用，为土木工程建设做出了重要贡献。特别关注SPECIAL ATTENTION HOUSING AND REAL ESTATE住宅与房地产11特别关注SPECIAL ATTENTION 视为低碳混凝土发展的纲领性文件。关于“低碳混凝土”的概念，首次出现在国务院发布的重磅文件中，标志着低碳混凝土将在国家“双碳”推动的历史进程中，成为建材产业的一个重要引擎和推手，承载和寄托着全社会低碳发展的期待与希望。三是，在党的二十大报告中，提出了“协同推进，降碳、减污、扩绿增长，推进生态优先，节约集约、绿色低碳发展；积极稳妥推进碳达峰碳中和，立足我国能源资源禀赋，坚持先立后破，有计划分步骤实施碳达峰行动。”为发展低碳混凝土明确了绿色发展方向和路线图。四是，2022 年 11 月，工业和信息化部、国家发改委、生态环境部、住房和城乡建设部等四部门关于印发建材行业碳达峰实施方案的通知。通知中要求：研发含硫硅酸钙矿物、粘土煅烧水泥等材料，减少石灰石用量；加快发展新型低碳胶凝材料，鼓励固碳矿物材料和全固废免烧新型胶凝体系的研发，并提出要构建绿色建材产品体系、加快绿色建材生产和应用。这个通知，为建材行业科学有序开展降碳减排工作提供了路径指引。记者：目前我国建筑业碳排放的现状如何？刘加平院士：我国建筑业的碳排量一直居高不下。建筑业是我国经济支柱产业，其产业地位持续巩固。但不容忽视的是，建筑业的高速发展，也带来了一定程度的环境污染。据中国建筑能源报告（2020）显示，我国建筑全过程碳排放占全国碳排放总量的 49.3%。混凝土是建筑行业的基础，是当今世界上用量最大的土木工程材料，占建筑工程中“三大材”的 90%以上，也是地球上仅次于水的第二大消耗材料。其中我国每年人均消耗量超过 7 吨，支撑了我国交通、能源、国防以及民用住宅等基础设施建设。低碳混凝土发展技术路径记者:低碳混凝土和低碳混凝土技术的概念涵义是什么？刘加平院士：低碳混凝土，要从混凝土整个寿命周期内的总碳排放来计算，包括从原材料生产，到生产过程、混凝土服役使用、维护和维修，直至拆除全生命周期内的碳排放。低碳混凝土技术，是指在混凝土生产、使用过程中，能够直接或间接地降低温室气体排放的相关混凝土技术，具体包括减少混凝土中水泥用量的前提下，追求混凝土长寿命、高耐久的绿色高性能混凝土技术及尾矿、建筑垃圾等固体废弃物再生资源在混凝土工程中的应用技术。记者：低碳混凝土发展的总体技术思路是什么？刘加平院士：水泥混凝土生产环节是实现建筑行业住宅与房地产HOUSING AND REAL ESTATE12碳中和目标的关键阶段，基于全寿命周期的碳排放计算，明确从混凝土生产与服役阶段入手，降低碳排放是主要方向，我们提出从高耐久、高性能、原材料与绿色制备方面，实现低碳化。记者：目前低碳混凝土通过哪些技术路径来实现降碳减排？刘加平院士：基于混凝土碳排放计算模型及碳排量数据，技术路径主要从四个方面降低水泥混凝土的碳排放，大幅提升固废循环利用率与混凝土的性能。第一，是钢筋混凝土高耐久，延长钢筋混凝土使用寿命，减少重复建设。钢筋混凝土使用寿命延长 1 年，全国碳排放量的比重将降低 15.9%，其中混凝土占比11.3%、钢筋占比 4.6%。像我们的港珠澳大桥使用寿命是 120 年。技术路径：一是采用自主研发的整套抗裂技术。通过减缩抗裂技术，有效抑制有害介质通过裂缝进入混凝土内部，延长钢筋混凝土的使用寿命。在减缩抗裂方面，发明了分段、全过程的收缩裂缝控制功能材料，建立了智能养护技术体系精细化控制工艺参数。此套技术在兰新高铁和港珠澳大桥等建设项目中应用。二是采用“隔、阻、缓、延”技术体系的方法。开发了表层强化材料、传输抑制材料和自迁移钢筋阻锈材料，延长构筑物服役寿命。此技术体系在南沙大桥和跨海通道、码头、核电等海洋工程中应用。第二，是混凝土高性能化。从本质上提升混凝土宏观性能，实现高流动性、超高强度和超高韧性的统一，减少钢筋和混凝土用量。技术路径：一是研究增强技术，发明纳米杂化材料和高活性矿物掺合料，实现了常温养护工艺的超高强度。二是研究高强混凝土增韧技术，研发了链棒状聚合物和微细高强钢纤维，改善了基体和界面微结构，提高了化学胶结力和机械咬合力，实现超高强度和超高韧性的统一，提升了混凝土抗疲劳和抗震性能。南京长江第五大桥应用此项技术，采用粗骨料超高性能混凝土桥面板。组合梁用钢量减少 20%，自重降低 30%，减少 CO2直接排放 2.5 万吨，满足节能减碳发展要求，并促进了桥梁结构体系轻量化的创新。第三，是水泥混凝土原料低碳化。根据水泥碳排放的来源，从提高水泥生产能效、使用可替代燃料、减少熟料用量、开发低碳胶凝材料、混凝土再生利用等方面，降低水泥碳排放。技术路径：一是采用自主的水泥能效提升技术。二是采用可代替燃料与水泥窑协同处置技术。三是减少水泥中熟料用量。采用高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废作为混合材，减少水泥中熟料用量。四是采用新型低碳水泥技术。比如 LC3 新型低碳水泥，是在原有波特兰水泥体系中添加石灰石和煅烧黏土，来降低水泥工业的能耗与碳排放。五是采用自主的再生混凝土资源化利用技术。建筑垃圾中的主要成分废弃混凝土，可加工作为再生骨料和再生微粉，降低碳排放。利用现有技术加工再生细粉和骨料可以有效降低碳排约 5%10%。第四，是混凝土制品低能耗养护。开发系列早强功能材料，促进混凝土早期强度快速发展，免去蒸汽养护；通过系列超早强化学功能材料，提高早期强度，解决传统技术降低流动性、后期强度和耐久性的难题。特别关注SPECIAL ATTENTION HOUSING AND REAL ESTATE住宅与房地产13技术路径：一是采用 PHC 管桩泵送免压蒸技术。二是采用地铁管片免蒸养制备技术。地铁管片免蒸养制备技术取消蒸养工序，降低养护耗能，实现了超早强与高耐久性的协同一致；降低养护能耗 80%以上，同时提高耐久性。低碳混凝土发展未来可期记者：目前我国在低碳混凝土创新发展方面，面临哪些挑战？刘加平院士：应该说我国在低碳混凝土方面面临的问题，也是全球所面临的问题，是共性问题。一是以工程实际需求为导向，需要取得突破性的进展；二是研究成果转化慢。同时，除了重大工程以外，科研创新成果能应用到量大面广的工程中，还面临管理和标准等需要解决的问题。记者：我国低碳混凝土的研究取得了哪些突破？与国外相较，有哪些经验值得我们借鉴？刘加平院士：在低碳混凝土研究方面，我们在某些领域和点面上取得了真正的突破，能达到国际领跑的状态。比如说，像我们在收缩裂缝控制理论等方面，在国际上具有一定的影响力。在水泥混凝土应用技术方面，也取得了一些突破性进展。比如，创新技术在重大工程上的应用实现了重大突破，像我们无论是在水电，还是在交通、能源、核电等等工程中，都有应用，而且效果非常好。与国外相比较，值得我们借鉴的是，重视原创性的基础理论研究，以及基础理论和关键技术之间的联系，形成理论、技术、材料、工程的完整产业链体系。记者：我国在低碳混凝土研发方面有何发展趋势？刘加平院士:国家自然科技基金委设立了一个重大项目，叫新一代混凝土设计理论与方法。新一代混凝土将展现给我们全新面貌，主要表现在四个方面：一是低碳胶凝材料的新体系，适合于国家的低碳胶凝材料体验，在生产应用过程中，可以减碳 40%以上。二是高强韧化的新理论，从材料到结构提升强度和韧性，是双提升。三是新理论引导设计方法的新变革，新一代混凝土材料与结构一体化设计。四是人工智能赋能，新的设计方法以及新的精细化制备方法，实现减碳与性能提升协同发展。新一代混凝土材料的问世，将推进我国建筑行业低碳混凝土进程，支撑我国“双碳”战略目标的实现，同时，也将为全球实现“双碳”目标提供中国智慧！（此文根据现场采访录音和刘加平院士主旨演讲内容等写作）