低碳混凝土的技術(shù)理念與途徑思考

蔣正武， 高文斌， 楊 巧， 李 晨， 任 強(qiáng)

（1.同濟(jì)大學(xué) 先進(jìn)土木工程材料教育部重點實驗室，上海 201804； 2.同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201804）

CO2是最主要的溫室氣體之一，自工業(yè)革命以來，溫室氣體濃度大幅升高引起的全球氣候變化已成為各國關(guān)注的焦點.2015 年簽署的《巴黎協(xié)定》提出將全球平均氣溫上升幅度控制在低于工業(yè)化水平前2 ℃的水平.為此，各國相繼提出溫室氣體減排、中和目標(biāo)，其中歐盟、美國、日本等多數(shù)發(fā)達(dá)國家提出在2050 年實現(xiàn)中和，中國提出了“2030 年前碳達(dá)峰、2060 年前碳中和”的目標(biāo).2021 年10 月26 日，中國國務(wù)院發(fā)布了《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》，并提出加強(qiáng)新型膠凝材料、低碳混凝土等可持續(xù)建筑材料產(chǎn)品的研發(fā)與應(yīng)用.因此，明確低碳混凝土的技術(shù)理念與方向意義重大.

除了煤電和鋼鐵行業(yè)之外，水泥是全球CO2排放量最大的工業(yè)部門.中國是水泥的生產(chǎn)大國，因此水泥行業(yè)成為中國最大的碳排放源之一[1］.而在產(chǎn)業(yè)鏈上，水泥的全部產(chǎn)能、產(chǎn)量幾乎都需要混凝土與水泥制品承接.因此，“低碳混凝土”在中國“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)過程中，是建筑材料產(chǎn)業(yè)的重要引擎和推手.

1 低碳混凝土技術(shù)理念

混凝土是世界上使用最廣泛的建筑材料，其可持續(xù)發(fā)展意義重大.混凝土的可持續(xù)發(fā)展旨在減少混凝土全生命周期內(nèi)的能源與資源消耗，減少其對環(huán)境的影響.廣義上的可持續(xù)混凝土是指利用清潔生產(chǎn)技術(shù)生產(chǎn)的、在全生命周期內(nèi)具有滿足設(shè)計要求的高性能、低能耗、低環(huán)境負(fù)荷與碳排放的混凝土[2］.因此，高性能、綠色、低碳是可持續(xù)混凝土的基本特征.其中，低碳是可持續(xù)混凝土基本的溫室氣體排放特征.圍繞混凝土的低碳發(fā)展，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究，提出了多種技術(shù)途徑.基于低碳混凝土技術(shù)理念，梳理相關(guān)技術(shù)途徑，對實現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)意義重大.

《2030 年前碳達(dá)峰行動方案》中，首次提到了低碳混凝土，但對于其仍沒有明確的定義.一般認(rèn)為，低碳混凝土是指從混凝土生產(chǎn)、應(yīng)用和廢棄全生命周期中排放的溫室氣體相比于傳統(tǒng)混凝土明顯降低的混凝土[3］.全生命周期內(nèi)的減碳技術(shù)與碳匯技術(shù)是低碳混凝土的核心技術(shù)理念.混凝土的全生命周期包括原材料開采、水泥生產(chǎn)、混凝土生產(chǎn)、運輸、施工、使用維護(hù)和廢棄處理，CO2的排放（或吸收）伴隨在這些過程中，相應(yīng)的減碳技術(shù)也可以分為直接減碳、間接減碳與碳匯技術(shù)3 類. 水泥是混凝土全生命周期中碳排放的首要來源，減少水泥生產(chǎn)過程的碳排放可實現(xiàn)混凝土的直接減碳，即混凝土的直接減碳技術(shù). 在混凝土生產(chǎn)過程中，通過混凝土技術(shù)減少水泥用量，間接實現(xiàn)混凝土的低碳制備，稱為間接減碳技術(shù).在混凝土生命周期各個環(huán)節(jié)中，可以使用不同方法將CO2匯集封存在材料之中，此為混凝土的碳匯技術(shù).

2 低碳混凝土技術(shù)途徑

發(fā)展可持續(xù)低碳混凝土需兼顧其全生命周期內(nèi)的每個環(huán)節(jié)，只有各環(huán)節(jié)共同把控，提高效率，才能實現(xiàn)混凝土的低碳發(fā)展.

2.1 直接減碳技術(shù)

2.1.1 熟料清潔生產(chǎn)技術(shù)

（1）提高能源效率.水泥熟料生產(chǎn)過程中巨大的能源消耗是水泥碳排放高的主要原因之一，可見提高能效是直接有效的減排方式.主要包括水泥窯改進(jìn)技術(shù)、提高粉磨效率、余熱回收再利用技術(shù)等.

（2）使用清潔電能.水泥熟料生產(chǎn)的破碎、粉磨、輸送等過程會消耗電能，使用光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、地?zé)崮馨l(fā)電、核能發(fā)電、海洋能發(fā)電等清潔能源，可以滿足水泥生產(chǎn)的電力消耗.

（3）使用低碳燃料技術(shù).傳統(tǒng)的水泥熟料生產(chǎn)采用的燃料主要為煤炭，燃料燃燒排放的CO2占水泥生產(chǎn)總排放量的30%～40%[4］（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，文中涉及的占比、含量、比值等均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)或質(zhì)量比）.用其他天然氣燃料和生物質(zhì)燃料等低碳燃料替代煤炭等傳統(tǒng)燃料，可減少CO2排放20%～25%[5］. 另外，通過富氧燃燒技術(shù)可進(jìn)一步提高燃燒效率、降低燃料燃燒產(chǎn)生的CO2排放.

（4）替代原材料.石灰石為水泥熟料的主要原料，在熟料燒制過程中會分解釋放CO2，大約2/3 的CO2來自石灰石中CaCO3的分解. 因此，尋求其他鈣質(zhì)原料代替石灰石制備水泥熟料是水泥清潔生產(chǎn)的重要措施.目前，可用來替代石灰石的原料有電石渣、硅鈣渣、鋼渣等. 其中電石渣中的CaO 含量在65%～80%之間，其成分穩(wěn)定，有害物質(zhì)少，可以替代石灰石生產(chǎn)水泥.有研究表明[6］，電石渣摻量為60%時，可以降低單位熟料CO2排放量227.50 kg.硅鈣渣是一種在高鋁粉煤灰中提煉氧化鋁所產(chǎn)生的固體廢棄物，含有一定量的CaO，以30%硅鈣渣替代石灰石，單位熟料CO2排放量可降低96.46 kg.鋼渣為煉鋼產(chǎn)生的廢渣，水泥原料中摻入4%的鋼渣，單位熟料可減少CO2排放4.40 kg.綜上，通過鈣質(zhì)固廢代替石灰石原料生產(chǎn)水泥熟料是水泥減碳的一種有效途徑.

（5）CO2捕集技術(shù).CO2捕集技術(shù)與水泥生產(chǎn)工藝相結(jié)合是水泥清潔生產(chǎn)的可取措施.在水泥生產(chǎn)過程中，通過一定技術(shù)提高煙氣中CO2濃度以滿足從煙氣中高效率收集CO2.通常，使用純氧氣代替空氣進(jìn)行助燃的全氧燃燒技術(shù)可使排放的煙氣中CO2含量達(dá)90%以上，大大提高了CO2的收集效率.除全氧燃燒技術(shù)外，在水泥行業(yè)中也可使用其他CO2捕集技術(shù)，如單乙醇胺化學(xué)吸收法[7］、NaOH 溶液吸收法[8］、冷凍氨法脫碳技術(shù)[9］、鈣循環(huán)（CaCO3/CaO）技術(shù)[10］及膜分離技術(shù)[11］.

2.1.2 水泥組分優(yōu)化技術(shù)

水泥生產(chǎn)過程中約90%的碳排放來自熟料的燒成.采用水泥組分優(yōu)化技術(shù)可以減少水泥中熟料的用量，進(jìn)而減少水泥生產(chǎn)的碳排放. 主要包括：

（1）傳統(tǒng)固廢大摻量使用技術(shù).將粉煤灰、礦渣及火山灰等工業(yè)廢渣作為活性混合材料替代水泥熟料，是大規(guī)模降低水泥碳排放的有效途徑之一.目前粉煤灰和礦渣的取代率約為水泥生產(chǎn)量的15%，通過技術(shù)改進(jìn)可以提升至30%～50%.

（2）多元固廢低碳復(fù)合水泥[12］. 從全球尺度來看，粉煤灰、礦粉等傳統(tǒng)輔助膠凝材料不能完全滿足水泥、混凝土行業(yè)的需求，因此需要開發(fā)新型輔助膠凝材料與水泥體系.黏土是一種分布非常廣泛的材料，在600 ℃下煅燒可以轉(zhuǎn)化為高活性輔助膠凝材料.將煅燒黏土和石灰石結(jié)合，可以生產(chǎn)出石灰石煅燒黏土（LC3）水泥，水泥熟料取代率可以達(dá)到50%，減排約15%～30%[13-15］.

（3）無熟料/少熟料水泥.無熟料/少熟料水泥是一種以礦渣、粉煤灰、赤泥等工業(yè)固廢為主要原料，采用物理激發(fā)、化學(xué)活化、多元固廢協(xié)同等技術(shù)制備的新型水硬性膠凝材料[16-17］. 由于生產(chǎn)時不使用或少量使用硅酸鹽水泥熟料，無熟料/少熟料水泥在水泥行業(yè)具有很大的減碳潛力.Jiang 等[18］用70%的礦渣替代水泥制備了42.5 等級以上的礦渣少熟料水泥；孫慶巍等[19］通過脫硫石膏和NaOH 激發(fā)粉煤灰，制備了熟料含量為16%的粉煤灰少熟料水泥.鮑忠正[17］以赤泥、熟石灰、礦粉、脫硫石膏為原料，制備了28 d 抗壓強(qiáng)度為20.00 MPa 的赤泥基無熟料水泥.

2.1.3 開發(fā)新型膠凝材料技術(shù)

國際能源機(jī)構(gòu)提出了2050 年世界水泥工業(yè)CO2排放總量降低24%的目標(biāo)，其中37%來自替代膠凝材料的使用.替代膠凝材料一般指的是可以部分或全部代替?zhèn)鹘y(tǒng)硅酸鹽水泥的新型膠凝材料[20］，其減碳核心思路為——減少CaO 的比例、降低燒成溫度或直接吸收CO2. 常見的新型膠凝材料主要包括：

（1）高活性貝利特硅酸鹽水泥（RBPC）.RBPC 的主要礦物成分為硅酸二鈣（C2S）.與普通硅酸鹽水泥（OPC）相比，其燒成溫度低、能源消耗少，原材料中石灰石的比例低，由石灰石分解產(chǎn)生的CO2排放也相應(yīng)減少.據(jù)估算能耗可降低14 %，煅燒過程排放的CO2可減少6 %[20］.

（2）貝利特硫鋁酸鹽水泥.貝利特硫鋁酸鹽水泥的主要礦物成分為硫鋁酸鈣和C2S，是目前研究較為活躍的替代膠凝材料之一.通常采用石灰石、鋁礬土和石膏為原料，在1 250～1 350 ℃下煅燒成熟料，其燒成溫度比OPC 熟料低100～150 ℃[21-22］.與OPC 相比，可以降低生產(chǎn)能耗27%～37%，煅燒過程排放的CO2減少了18%～48%[23］. 由于鋁礬土資源儲量有限，粉煤灰、煤矸石、脫硫渣、赤泥等工業(yè)固廢也作為原料用于制備貝利特硫鋁酸鹽水泥.

（3）碳化硅酸鈣水泥.碳化硅酸鈣水泥的主要礦物為硅灰石（CS），但CS 資源分布很不均勻，主要分布在亞洲的中國、印度和美洲的墨西哥、美國等國家[24］.采用硅質(zhì)巖石（SiO2）和石灰石生產(chǎn)CS，生產(chǎn)能耗比OPC 降低54%，煅燒過程CO2排放量可減少26%. 此外，碳化硅酸鈣水泥通過碳化固化形成硬化體，硬化過程中每1.0 kg 水泥可吸收CO2約0.2 kg[25］.目前，美國Solidia Technologies 公司使用硅灰石，在高濃度的CO2環(huán)境中快速碳化硬化，生產(chǎn)預(yù)制產(chǎn)品.除天然硅酸鈣，某些工業(yè)固廢中也包含硅酸鈣等可碳化礦物，如鋼渣、磷渣等，可以作為原料制備碳化硅酸鈣水泥. 另外，中國工業(yè)固廢排放量大，利用工業(yè)固廢生產(chǎn)碳化硅酸鈣水泥不僅可以降低工業(yè)固廢對環(huán)境的負(fù)荷，而且為碳化硅水泥解決了原材料不足的問題，具有重要的工程意義.

（4）碳化氧化鎂水泥.碳化氧化鎂水泥是一種通過MgO 碳化維持強(qiáng)度發(fā)展的水泥.主要使用兩種原材料生產(chǎn)MgO——鎂橄欖石和菱鎂礦. 研究表明[26-27］，在高溫高壓下鎂橄欖石可以轉(zhuǎn)化為MgO，但目前尚未解決的關(guān)鍵問題是如何在工業(yè)規(guī)模上以節(jié)能的方式從堿性硅酸鎂巖石中制備MgO. 利用鎂橄欖石生產(chǎn)MgO 的技術(shù)很成熟，但制備過程釋放大量CO2，每生產(chǎn)1.0 kg 的MgO 會釋放大約1 100.0 kg CO2[28］.近年來，研究者發(fā)現(xiàn)從海水中回收鎂并用于制備碳化氧化鎂可解決鎂資源不足的問題[29-31］，但僅限于有大規(guī)模海水脫鹽或者有鹽湖的地區(qū). 雖然碳化氧化鎂的制備制約于MgO 的來源，但碳化氧化鎂水泥主要通過碳化固化，每1.0 kg 水泥大約可吸收0.5 kg CO2，因此在未來水泥減碳方面具有很大潛力.

2.2 間接減碳技術(shù)

2.2.1 混凝土配合比優(yōu)化技術(shù)

（1）超低膠凝材料混凝土.對低碳混凝土來講，在配合比設(shè)計過程中應(yīng)控制或減少水泥用量[32-33］.但為了保證低碳混凝土的工程質(zhì)量，在選擇和易性時，要堅持“保證施工前提下選擇較小的坍落度，不追求高流動性和大擴(kuò)展度，以保證勻質(zhì)性和密實性為首要目標(biāo)”的原則.通過優(yōu)化混凝土配合比可以合理設(shè)計和控制混凝土中各組分的比例，在滿足所需性能的同時確定合適的最小膠凝材料用量，以降低碳排放[34］.

（2）緊密堆積理論設(shè)計配合比.使用礦渣作為輔助膠凝材料，通過最緊密堆積理論精細(xì)化設(shè)計混凝土的配合比，可以使超高性能混凝土全球變暖潛能值（GWP）降低42%[35-36］. 由此可見，通過最緊密堆積理論對混凝土的配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，是混凝土減碳的重要途徑之一.

2.2.2 大摻量工業(yè)廢渣制備混凝土技術(shù)

在混凝土制備過程中，使用工業(yè)廢渣部分替代碳排放高的水泥是實現(xiàn)混凝土減碳的途徑之一.目前使用最多的工業(yè)廢渣有礦渣、粉煤灰、鋼渣、赤泥及銅渣等，它們具有火山灰性或潛在水硬性，可以部分替代水泥來制備混凝土.但這些工業(yè)廢渣的反應(yīng)性低于水泥，如果大摻量替代水泥會導(dǎo)致混凝土的力學(xué)性能降低.因此，激發(fā)工業(yè)廢渣的潛在活性是大摻量工業(yè)廢渣混凝土技術(shù)開發(fā)的關(guān)鍵問題.中國工業(yè)廢渣潛在活性差異大，針對不同工業(yè)固廢應(yīng)采用不同的活性激發(fā)方法，以實現(xiàn)工業(yè)廢渣作為礦物摻合料的高效利用.常用的活性激發(fā)方法有化學(xué)活化、物理粉磨以及熱力學(xué)方法.化學(xué)活化是通過化學(xué)試劑對工業(yè)廢渣誘導(dǎo)激活，將活性物質(zhì)溶解，再通過化學(xué)沉淀形成反應(yīng)產(chǎn)物[37］.物理粉磨是通過機(jī)械研磨方法，將廢渣細(xì)化，從而產(chǎn)生粒形尺寸效應(yīng)進(jìn)行活化.熱力學(xué)方法是通過加熱的方法將工業(yè)廢渣中的活性物質(zhì)釋放. 因此，通過多元激活方法實現(xiàn)不同工業(yè)廢渣在混凝土中的大摻量應(yīng)用，可進(jìn)一步降低水泥的用量，從而減少混凝土的碳排放.

2.2.3 混凝土耐久性提升技術(shù)

提高混凝土耐久性，延長混凝土工程壽命是節(jié)約資源、能源和保護(hù)環(huán)境的關(guān)鍵措施，也是實現(xiàn)混凝土低碳發(fā)展的基本原則之一.主要包括以下技術(shù)途徑：

（1）混凝土自增強(qiáng)技術(shù).可通過混凝土配合比優(yōu)化設(shè)計、提高混凝土密實度、增強(qiáng)材料改性以及優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)等技術(shù)實現(xiàn)混凝土的自增強(qiáng).

（2）混凝土自防護(hù)技術(shù).混凝土自防護(hù)主要體現(xiàn)在混凝土材料的自防護(hù)和鋼筋的自防護(hù). 混凝土材料的自防護(hù)可通過優(yōu)化配合比、添加外加劑等方式實現(xiàn)，而鋼筋自防護(hù)主要在于鋼筋的防銹蝕，如使用不銹鋼鋼筋、氧化石墨烯表面修飾、噴涂阻銹劑、使用玻璃纖維聚合物增強(qiáng)筋等.

（3）混凝土自修復(fù)技術(shù).自修復(fù)作為混凝土耐久性提升的一種技術(shù)，主要通過水泥基材料修復(fù)裂縫延長混凝土的使用壽命，目前混凝土的自修復(fù)技術(shù)有礦物自修復(fù)、微生物自修復(fù)、聚合物自修復(fù)及微膠囊自修復(fù)等[38-40］.

Miller[41］研究發(fā)現(xiàn)，超高性能混凝土耐久性的提升可以延長基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)壽命，混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命每提高50%，可降低約14%的碳排放.

2.2.4 廢棄混凝土高效循環(huán)利用技術(shù)

廢棄混凝土中包含大量砂石骨料和其他粉體材料，合理循環(huán)利用這些材料，不僅可以減少天然材料的消耗，而且可以降低混凝土全生命周期內(nèi)的碳排放.廢棄混凝土高效循環(huán)利用技術(shù)主要有再生骨料制備技術(shù)、廢棄粉體制備水泥熟料技術(shù)及再生混凝土技術(shù)等.廢棄混凝土中含有可碳化的Ca（OH）2、水化硅酸鈣（C-S-H）等水化產(chǎn)物，將廢棄混凝土破碎制備骨料可以提高廢棄混凝土的比表面積，有利于骨料吸收CO2并發(fā)生碳化反應(yīng)，在一定程度上具有減碳效果.廢棄混凝土粉中含有8%～30%的CaO，將其用于水泥熟料的鈣質(zhì)原料，可以降低熟料生產(chǎn)過程中因CaCO3分 解 產(chǎn) 生 的CO2[42］. Kwon 等[43-44］發(fā) 現(xiàn) 當(dāng) 采 用廢棄混凝土粉替代石灰石時，可以減少熟料生產(chǎn)過程53%的CO2排放當(dāng)量.廢棄混凝土制備混凝土技術(shù)方面， Schepper 等[45］發(fā)現(xiàn)通過配合比設(shè)計使混凝土廢棄后可以作為水泥的原料燒制水泥，再將其應(yīng)用于混凝土，形成廢棄混凝土-水泥-混凝土的可持續(xù)性，這一過程會使混凝土制備過程中的GWP 降低7%～35%.

2.3 碳匯技術(shù)

2.3.1 水泥混凝土吸碳技術(shù)

水泥混凝土在全球碳循環(huán)中扮演著雙重角色，其主要原料水泥在生產(chǎn)過程會排放大量的CO2，但混凝土暴露在空氣中，部分水泥及其水化產(chǎn)物會吸收CO2并發(fā)生碳化反應(yīng)，被稱為混凝土的自然碳化或被動碳化[46］.目前普遍認(rèn)為混凝土自然碳化吸收的CO2大約占水泥生產(chǎn)所排放CO2年產(chǎn)量的25%[5］.對于鋼筋混凝土，空氣中的CO2擴(kuò)散至混凝土內(nèi)部，與水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，使混凝土孔溶液堿度降低，引起鋼筋脫鈍與銹蝕[47］.從混凝土結(jié)構(gòu)耐久性的角度，一般認(rèn)為碳化是有害的.但對于素混凝土及其制品，可以通過主動碳化養(yǎng)護(hù)技術(shù)，使其快速吸收CO2.這一技術(shù)不但將CO2永久封存在混凝土內(nèi)部，還可以替代蒸汽養(yǎng)護(hù)，減少制品養(yǎng)護(hù)所需的能耗，同時加快材料早期強(qiáng)度的形成、縮短養(yǎng)護(hù)時間.

2.3.2 CO2礦化技術(shù)

（1）使用建筑垃圾生產(chǎn)混凝土并捕獲CO2.日本工程師開發(fā)了一種新技術(shù)，通過回收廢棄混凝土并將其與CO2捕獲技術(shù)相結(jié)合以制造混凝土.一方面，這種混凝土是由舊的混凝土碎石制成的，不僅延長了舊材料的使用壽命，而且該過程可以在約70 ℃下進(jìn)行，遠(yuǎn)低于燃燒石灰石所需的溫度；另一方面，這種材料可以吸收工業(yè)廢氣或空氣中的CO2.該工藝首先將石灰石粉、去離子水和CO2氣體混合制成COHCO3溶液，接著將該溶液泵入含有硬化水泥漿粉末或硅砂的模具中，然后將其加熱至70 °C，最終得到一種新材料，稱之為碳酸鈣混凝土. 碳酸鈣混凝土的平均抗壓強(qiáng)度為8.60 MPa，遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)混凝土，但由于其在制備過程中會吸收并封存CO2，因此在未來混凝土低碳發(fā)展過程中，碳酸鈣混凝土將成為混凝土的主流類型.

（2）可碳化新型膠凝材料固碳技術(shù).可碳化新型膠凝材料主要通過CO2礦化養(yǎng)護(hù)實現(xiàn)其高強(qiáng)度，是CO2吸收的一種重要途徑，在實現(xiàn)中國“雙碳”目標(biāo)過程中具有很大的潛力.以細(xì)鋼渣作為膠凝材料，高爐渣作為輕集料制備的鋼渣砌塊，經(jīng)過24 h CO2礦化養(yǎng)護(hù)后，其抗壓強(qiáng)度可達(dá)24.00 MPa，CO2固化量約為6.6%[48］. 在國外，美國Solidia公司通過碳化技術(shù)生產(chǎn)了以CS和硅鈣石（C3S2）為主要膠凝組分的混凝土，使碳排放減少了30%.

日本學(xué)者Higuchi 開發(fā)了CO2-SUICOM 低碳混凝土，其最關(guān)鍵的組成是γ-C2S 粉末.γ-C2S 基本不發(fā)生水化反應(yīng)，但與CO2發(fā)生碳化反應(yīng)，可使混凝土致密化，強(qiáng)度發(fā)展性能良好.與一般混凝土相比，用γ-C2S 與粉煤灰替代部分水泥為特征的“CO2-SUICOM”混凝土28 d CO2固化量為104.5 kg/m3，可實現(xiàn)負(fù)碳排放[49-50］.

2.3.3 CO2拌和混凝土技術(shù)

CO2拌和混凝土技術(shù)是在混凝土攪拌過程中向新拌混凝土注入循環(huán)利用的CO2.一旦注入，CO2會與水泥組分發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為礦物.這提高了混凝土的抗壓強(qiáng)度，而且可以將CO2固化在混凝土內(nèi)部.

3 混凝土的碳排放評價方法

隨著低碳膠凝材料、低碳混凝土的研究與應(yīng)用，其碳排放的評價方法受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注.碳排放評價方法不僅可以量化混凝土產(chǎn)業(yè)中低碳產(chǎn)品的低碳性能，而且可以指引混凝土低碳發(fā)展的方向.

碳足跡是對碳排放影響進(jìn)行評價的一種指標(biāo)，常被用來評價某一產(chǎn)品（如混凝土）在其全生命周期內(nèi)的直接和間接碳排放.碳足跡計算方法主要包括生命周期評價法（LCA）、能源礦物燃料排放量計算（IPCC）、投入-產(chǎn)出法（I-O 法）及Kaya 碳排放恒等式.目前，認(rèn)可度、可信度最高的方法是LCA，主要包括確定目標(biāo)與范圍、清單分析、影響評價以及結(jié)果解釋4 個步驟.以不同配合比混凝土的碳排放評價為例[47］，介紹LCA 計算碳足跡的主要過程：（1）確定目標(biāo)與范圍 研究目標(biāo)為評價配合比對混凝土碳排放的影響，根據(jù)這一目標(biāo)，劃定搖籃到大門的評價范圍（系統(tǒng)邊界），即計算原料開采到混凝土產(chǎn)品生產(chǎn)完成期間的碳排放，計算時以生產(chǎn)1 m3混凝土為基本對象（功能單元）；（2）清單分析 整理水泥、骨料等原料生產(chǎn)與開采、原料運輸、混凝土攪拌等過程的物質(zhì)輸入輸出清單；（3）影響評價 GWP 為環(huán)境影響的特征化指標(biāo)，開展計算與評價；（4）結(jié)果解釋 分析不同配合比情況下的混凝土GWP 以及單位強(qiáng)度GWP 的變化.基于以上步驟，對文獻(xiàn)[51］中不同水灰比mW/mB混凝土的碳排放進(jìn)行計算，得到的結(jié)果見表1.其中，試件的命名規(guī)則為：PC 為用100%普通硅酸鹽水泥為膠凝材料制備的混凝土；0.15FA/PC為用15%粉煤灰代替普通硅酸鹽水泥制備的混凝土；0.21GGBS/PC 為用21%礦粉代替普通硅酸鹽水泥制備的混凝土；其他類推.由表1 可見：7 類混凝土單位體積的GWP 為428～624 kg CO2-eq，單位體積、單位強(qiáng)度的GWP 為6.33～9.19 kg CO2-eq.上述結(jié)果定量化地說明利用粉煤灰或礦粉替代普通硅酸鹽水泥制備混凝土可降低混凝土的碳排放.

表1 不同配合比混凝土的28 d 抗壓強(qiáng)度以及碳排放[51］Table 1 28 d compressive strength and carbon emission of concrete with different mix proportions

除全生命周期評價之外，國內(nèi)外也有相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指引或規(guī)范（見表2）評價碳排放.已有的碳排放評價方法、標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范等可用于低碳混凝土領(lǐng)域，但其應(yīng)用模塊的不完善限制了當(dāng)前中國低碳混凝土領(lǐng)域碳排放總量控制的效果，對“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)帶來了一定挑戰(zhàn).對于低碳混凝土的評價方法，應(yīng)從數(shù)據(jù)、目標(biāo)、市場三方面發(fā)力，通過不斷完善核算工作機(jī)制、明確CO2和溫室氣體總量控制路徑、建立地區(qū)和行業(yè)碳排放總量目標(biāo)協(xié)同機(jī)制、加快推進(jìn)碳市場建設(shè)以及探索碳市場機(jī)制等多種途徑，建立低碳混凝土核算平臺，從而更好地落實“雙碳”目標(biāo)任務(wù).

表2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、指引或規(guī)范Table 2 Relevant standards， guidelines or norms

4 結(jié)語

低碳混凝土并不是特指混凝土的一個新品種，而是未來混凝土可持續(xù)發(fā)展過程中需要堅持的一種技術(shù)理念與方向.2020 年，中國提出了碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)愿景.實現(xiàn)可持續(xù)混凝土的低碳發(fā)展是一個必然的選擇.要實現(xiàn)混凝土的低碳，必須從原材料、施工過程、服役及再生利用等多方面共同推進(jìn).但發(fā)展低碳混凝土絕不可本末倒置，犧牲混凝土的基本性能或功能，尤其服役環(huán)境下耐久性來獲取低碳效果.通過直接減碳技術(shù)、間接減碳技術(shù)以及碳匯技術(shù)降低CO2排放，對混凝土的碳中和至關(guān)重要，其中開發(fā)新型膠凝材料技術(shù)以及碳匯技術(shù)在未來低碳混凝土發(fā)展方面具有很大潛力，也是目前研究的熱點與重要研究方向.除此之外，完善混凝土行業(yè)全生命周期評價體系與方法，對混凝土的碳足跡及其演變進(jìn)行合理評價，將有助于推進(jìn)混凝土的低碳發(fā)展進(jìn)程.