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編者按

作為最廣泛使用的建筑材料，水泥和混凝土對環境的影響越來越被關注。水泥混凝土生產過程會排放大量的二氧化碳，但混凝土在使用過程又會吸收空氣中的CO₂，這種雙重作用被稱為“海綿效應”，混凝土的減碳過程應該考慮這種“海綿效應”，但混凝土自然碳化所吸收的CO2仍然不能滿足混凝土的減碳目標。因此，梳理水泥和混凝土行業的減碳策略，可以為水泥和混凝土行業的碳中和提供技術支撐。

1 引言

混凝土是迄今為止在建筑行業中最廣泛使用的人造材料。作為現代工業化社會建設的重要組成材料，被廣泛應用于各行各業。能源系統、供水和污水處理系統、高層建筑以及交通網絡都依賴于混凝土。

水泥作為混凝土最重要的膠凝材料，其產量一直在增加，每年超過40億噸的水泥被生產，但水泥生產過程會釋放大量CO₂，由于生產規模龐大，水泥生產排放的CO₂直接占全球人為二氧化碳排放量的7-8%^[1]。據統計^[2-6]，在 2010 年全球建筑活動排放的7.7 Gt二氧化碳中，水泥占36%，鋼材占25%，塑料占8%，鋁<4%，磚<1%。可見，水泥生產對全球變暖的影響至關重要。從圖1也可以發現，混凝土是建筑工程中碳排放量最大的材料，而在混凝土生產過程中，水泥的碳排放約占65%^[7]。水泥生產過程的碳排放主要來源于兩方面：一方面，石灰石的分解會釋放二氧化碳；另一方面，燃料燃燒會釋放二氧化碳。研究表明^[8]，水泥窯中 CaCO₃向CaO的化學轉化（即煅燒）導致的 CO₂ 排放比例高于燃料消耗排放的CO₂。

圖1 水泥和混凝土生產對全球變暖的貢獻^[7]

在中國，隨著碳達峰、碳中和政策體系的完善，2021年10月26日國務院發布了《2030 年前碳達峰行動方案》，指出在推動建材行業碳達峰中，應該加快推進綠色建材產品的認證和應用推廣，加強新型膠凝材料、低碳混凝土、木竹建材等可持續建材產品的研發應用。

混凝土作為世界上最大宗的建筑材料，更需要強調其低碳發展。混凝土欲實現低碳發展，必須減少混凝土全生命周期內的能源與資源消耗，減少其對環境的影響。水泥混凝土行業作為最大的CO₂排放行業之一，減少其全生命周期內每個環節的碳排放量，可顯著推動混凝土的可持續發展，同時在國際低碳經濟的大背景下，可持續混凝土的低碳發展是混凝土行業的重要方向。目前，圍繞低碳混凝土國內外相關學者也做了大量研究，但其實踐應用方面仍任重而道遠。因此，梳理水泥和混凝土行業的減碳途徑，對實現我國“雙碳”目標意義重大。

2 混凝土的“海綿效應”

整個水泥周期（從生產、使用到使用壽命結束）排放和吸收 CO₂的這種雙重作用稱為“海綿效應”。混凝土吸收二氧化碳的過程也稱為混凝土的自然碳化過程，是指水泥中的含鈣相，如水化硅酸鈣、水化鋁酸鈣、氫氧化鈣等，與CO₂反應，生成碳酸鈣和其他非碳化相的過程，反應在暴露于空氣中的表面進行，隨著CO₂的擴散逐漸緩慢地進入混凝土內部。盡管碳化會使混凝土劣化，但混凝土作為二氧化碳匯集的載體具有很大的潛力。有研究表明^[9]，從1930年到2013年，水泥生產過程中近一半的碳排放可能已被水泥及相關材料封存。因此，在混凝土長期減碳策略中必須考慮將水泥以及相關的材料（如砂漿和混凝土）作為重要的CO₂匯載體。

圖2展示了 2014 年全球水泥循環和相關的二氧化碳凈排放平衡示意圖^[8]。2014 年生產了4.2 Gt 的水泥和 0.2 Gt的水泥窯灰 (CKD)。2014 年的水泥庫存總計約75 Gt，幾乎平均分配給住宅、非-住宅和土木工程部門，每個部門約25 Gt。而2014年僅產生了0.5 Gt的拆遷水泥建筑廢物。回收水泥基材料面臨的挑戰導致幾乎所有 (99.1%) 拆遷的水泥基材料被掩埋在垃圾填埋場中，或作為回填物和骨料的一部分路基。據統計^[8]，2014 年全球水泥循環產生了3.0 Gt的CO₂排放量和0.6 Gt的CO₂吸收量，提供了2.4 Gt CO₂排放量的凈平衡。2014 年水泥生產及上游過程排放的CO₂總量中，58.4%來自碳酸鹽煅燒，32.9%來自燃料燃燒，8.6% 來自發電間接排放。結果表明，2014 年大部分CO₂吸收（約 80%）發生在建筑物和基礎設施中，CKD、建筑垃圾和拆除垃圾CO₂吸收總量約占20%。未來二氧化碳排放和吸收的路徑取決于水泥庫存的動態和新建筑的材料效率。

因此，旨在使水泥行業減碳的政策或舉措都必須考慮“海綿效應”，但僅考慮二氧化碳的被動吸收以實現當代氣候變化的目標，仍極具挑戰性。

圖2 2014 年全球水泥循環和相關的二氧化碳凈排放平衡^[8]

3 水泥和混凝土的減碳策略

混凝土的碳排放涉及其整個生命周期，需對各個環節進行控制，從LCA視角來采取行動以降低總體的碳排放：降低混凝土生產過程的CO₂排放，降低能源消耗，減少水泥用量，發展替代膠凝材料；提高混凝土耐久性，延長使用壽命，降低維修重建的需要；減少廢棄物的產生，充分利用建筑垃圾，發展再生骨料。沒有單一的措施可以實現減排的目標，只有各方面共同努力，控制質量，提高效率，才能實現低碳。

3.1 低碳膠凝材料技術

3.1.1 水泥清潔生產技術

水泥生產過程中的碳排放主要在于消耗電能、消耗燃煤和消耗石灰石。目前，水泥清潔生產方面主要通過改進水泥窯、提高粉磨效率、利用余熱和清潔電能，使用清潔燃料和廢棄物燃料等方法來降低生產能耗，提高能源利用效率^[10]。

3.1.2 水泥組分優化技術

水泥組分優化技術包括直接優化和間接優化。直接優化時將其他低碳原料代替石灰石等天然原料用于水泥生產，如城市垃圾、工業固體廢棄物、建筑垃圾等[11]。間接優化是將粉煤灰、礦渣、火山灰等工業廢渣作為混合材用于水泥生產，也稱作輔助膠凝材料。利用輔助膠凝材料（SCM）代替水泥熟料是大規模降低水泥碳排放的有效途徑之一。

3.1.3 替代膠凝材料

堿激發膠凝材料是在鋁硅酸鹽材料，如粉煤灰，與堿性激發劑，如硅酸鈉，之間反應，形成硅酸鹽和鋁酸鹽的聚合物。近年來堿激發膠凝材料作為硅酸鹽水泥的替代膠凝材料被廣泛討論。堿激發混凝土使用堿激發膠凝材料，可以在生產中集合高堿含量的固體廢棄物。在有充足的適宜激發劑和激發材料的地區，以預制或預拌的形式在經濟性上和技術上是可行的。但是，有效的堿性激發劑的可獲取性成為了堿激發膠凝材料應用的限制。事實上，從世界范圍來看，目前生產的硅酸鈉不足以代替硅酸鹽水泥產量的0.1%^[12]。

活性貝利特硅酸鹽水泥（RBPC）主要礦物成分為C₂S，其次為C₃S。與OPC相比，這兩種礦物成分的比例變化代表了生產能耗的降低以及由此排放的CO₂的減少，同時煅燒過程所排放的CO₂也有所減少。據估算，能耗能降低14%，煅燒過程排放的CO₂可減少6%。

以硫鋁酸鈣和硅酸二鈣為主要礦物的貝利特硫鋁酸鹽水泥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、礬土和石膏為原料，在1250-1350℃下煅燒成熟料，比普通硅酸鹽水泥熟料的燒成溫度低100-150℃，因此，與普通硅酸鹽水泥相比，可以降低生產能耗27-37%，煅燒過程排放的CO₂減少18-48%。

CO2激發膠凝材料的主要礦物為硅灰石（CS）。硅灰石資源較為豐富，但分布很不均勻，主要分布在亞洲的中國和印度和美洲的墨西哥、美國等國家。也可以采用硅質巖石和石灰石生產硅灰石，生產能耗比OPC降低54%，煅燒過程排放CO₂減少26%。

MgO基膠凝材料主要采用兩種原材料生產MgO。一種為鎂橄欖石，用于生產MOMS水泥熟料，另一種為菱鎂礦，用于生產MOMC水泥熟料。鎂橄欖石分布廣泛，但目前沒有技術可有效將其轉化為MgO。MOMS的生產能耗比OPC降低56%且煅燒過程不會排放CO₂。

3.2 低碳骨料技術

骨料是混凝土中比例最大的組分，占混凝土體積的70%左右。同時，骨料也是混凝土中最為穩定的組分，適當增大骨料比例，可減少膠凝材料用量，符合低碳混凝土技術原則。我國混凝土產量和用量巨大，對自然資源的消耗量也巨大，生產混凝土所用的天然骨料儲量大大減少，可用的天然骨料的品質也有所降低，使用替代骨料是實現低碳混凝土的必然途徑。以天然巖石或其他材料為原材料經過機械加工制備的機制砂石骨料替代天然骨料近年來得到了推廣使用^{[13, 14]}。廢棄混凝土經過清洗、破碎、分級后按照一定比例配合制得的再生骨料也是實現低碳混凝土的有效途徑^[15]。但再生骨料相對天然骨料，其品質差異很大^[16]。因此，研究解決再生骨料的品質控制是低碳混凝土發展的關鍵技術之一^{[17, 18]}。

3.3 低碳混凝土施工技術

低碳混凝土施工重點在于提高施工效率。在混凝土施工活動中產生的廢棄材料約為用于建筑中的混凝土體量的50-100%，當采用現場拌制時，這個比例會更高。更好的設計和現場的管理對于減少廢棄物非常重要，也是相對可以直接施行的。施工階段的管理，如拆模前的養護期長短，也會影響效率，對混凝土生產所需的水泥的量也會造成顯著的改變。此外，更好的控制施工和養護期的用水量對結構物的強度、耐久性和安全具有關鍵影響。

3D打印技術作為一種新的施工技術，近年來受到廣泛關注^[19]。3D打印技術不需要人力施工和模板，因此更為經濟和低碳。但在實際施工中推廣應用還面臨著很多問題。例如目前的技術一般使用砂漿作為打印材料，混凝土配比中不能使用粗骨料以免堵管，同時在進料和成型方面也存在困難。其他問題還包括有密實、層間結合、孔隙率、以及打印材料的耐久性問題^[20-22]。

3.4  混凝土耐久性提升技術

延長混凝土的服役壽命也可以達到低碳的目的。混凝土的耐久性主要與鋼筋銹蝕有關，而抗銹蝕性能則主要取決于混凝土保護層的抗滲性和鋼筋的抗銹蝕性。長壽命混凝土相比于傳統混凝土，具有自增強、自防護和自修復的特點，從而增進服役性能的提升、延緩服役性能的退化并促進服役性能的恢復。可通過對混凝土配合比進行優化設計、提高混凝土密實度、增強材料改性以及優化孔結構等技術實現自增強。自防護主要體現在混凝土材料的自我防護和鋼筋的自防護方面。混凝土的自我防護技術主要在于配合比優化、外加劑和外防護，而鋼筋自防護主要在于鋼筋的防銹蝕。如使用不銹鋼鋼筋，不銹鋼鋼筋的防銹蝕性和防氯離子侵蝕性分別比傳統的鋼筋高800-1500倍和4-24倍^{[23, 24]}，雖然不銹鋼鋼筋的成本要高6-10倍，但從長期效應來看，可以極大地降低成本。利用海洋生物提取物制備鋼筋阻銹劑、對阻銹劑進行接枝、采用遷移型阻銹劑等方法對鋼筋進行防護^[25-27]。另外，使用玻璃纖維聚合物增強筋（GFRP）代替鋼筋也是自防護的一種方式。自修復技術也是一種混凝土耐久性提升技術,自修復技術主要是使用水泥基材料修復裂縫，目前研究主要集中在通過礦物外加劑、微生物和聚合物膠粘劑實現自修復^[28-31]。有研究表明^[32]，超高性能混凝土的革新可以延長基礎設施的服務壽命，減少50%與傳統結構修復有關的碳排放。混凝土結構使用壽命每提高50%，可降低約14%的碳排放。

4 結語

水泥混凝土像海綿一樣在全球碳循環中扮演著雙重角色：水泥混凝土的生產排放了大量的二氧化碳，但其含鈣相會重新吸收大量大氣中的二氧化碳（自然碳化）。未來將混凝土作為碳匯的載體對混凝土的減碳非常重要。但要實現混凝土的低碳發展，仍需要從原材料、施工過程、服役及再生利用等多方面共同推進。降低排放和CO₂利用齊頭并進，不管是通過采用新技術還是嚴格的管理控制，對于達到混凝土的碳中和都是至關重要的。基于混凝土龐大的體量，混凝土生產效率的提高，如優化混凝土組分、使用輔助膠凝材料、提高施工效率，會對混凝土的低碳減排產生重大影響。另外，加速混凝土產品的碳捕集，對于保證混凝土結構的可持續性也是必不可少的，同時有利于推進水泥和混凝土行業的碳中和。

參考文獻

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[3] Cullen, J. M., Allwood, J. M. & Bambach, M.D. Mapping the global flow of steel: from steelmaking to end-use goods.Environ. Sci. Technol. 46, 13048–13055 (2012).