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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(duì)環(huán)境的影響越來(lái)越被關(guān)注。水泥混凝土生產(chǎn)過(guò)程會(huì)排放大量的二氧化碳，但混凝土在使用過(guò)程又會(huì)吸收空氣中的CO₂，這種雙重作用被稱(chēng)為“海綿效應(yīng)”，混凝土的減碳過(guò)程應(yīng)該考慮這種“海綿效應(yīng)”，但混凝土自然碳化所吸收的CO2仍然不能滿(mǎn)足混凝土的減碳目標(biāo)。因此，梳理水泥和混凝土行業(yè)的減碳策略，可以為水泥和混凝土行業(yè)的碳中和提供技術(shù)支撐。

1 引言

混凝土是迄今為止在建筑行業(yè)中最廣泛使用的人造材料。作為現(xiàn)代工業(yè)化社會(huì)建設(shè)的重要組成材料，被廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。能源系統(tǒng)、供水和污水處理系統(tǒng)、高層建筑以及交通網(wǎng)絡(luò)都依賴(lài)于混凝土。

水泥作為混凝土最重要的膠凝材料，其產(chǎn)量一直在增加，每年超過(guò)40億噸的水泥被生產(chǎn)，但水泥生產(chǎn)過(guò)程會(huì)釋放大量CO₂，由于生產(chǎn)規(guī)模龐大，水泥生產(chǎn)排放的CO₂直接占全球人為二氧化碳排放量的7-8%^[1]。據(jù)統(tǒng)計(jì)^[2-6]，在 2010 年全球建筑活動(dòng)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(jiàn)，水泥生產(chǎn)對(duì)全球變暖的影響至關(guān)重要。從圖1也可以發(fā)現(xiàn)，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(chǎn)過(guò)程中，水泥的碳排放約占65%^[7]。水泥生產(chǎn)過(guò)程的碳排放主要來(lái)源于兩方面：一方面，石灰石的分解會(huì)釋放二氧化碳；另一方面，燃料燃燒會(huì)釋放二氧化碳。研究表明^[8]，水泥窯中 CaCO₃向CaO的化學(xué)轉(zhuǎn)化（即煅燒）導(dǎo)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(chǎn)對(duì)全球變暖的貢獻(xiàn)^[7]

在中國(guó)，隨著碳達(dá)峰、碳中和政策體系的完善，2021年10月26日國(guó)務(wù)院發(fā)布了《2030 年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》，指出在推動(dòng)建材行業(yè)碳達(dá)峰中，應(yīng)該加快推進(jìn)綠色建材產(chǎn)品的認(rèn)證和應(yīng)用推廣，加強(qiáng)新型膠凝材料、低碳混凝土、木竹建材等可持續(xù)建材產(chǎn)品的研發(fā)應(yīng)用。

混凝土作為世界上最大宗的建筑材料，更需要強(qiáng)調(diào)其低碳發(fā)展。混凝土欲實(shí)現(xiàn)低碳發(fā)展，必須減少混凝土全生命周期內(nèi)的能源與資源消耗，減少其對(duì)環(huán)境的影響。水泥混凝土行業(yè)作為最大的CO₂排放行業(yè)之一，減少其全生命周期內(nèi)每個(gè)環(huán)節(jié)的碳排放量，可顯著推動(dòng)混凝土的可持續(xù)發(fā)展，同時(shí)在國(guó)際低碳經(jīng)濟(jì)的大背景下，可持續(xù)混凝土的低碳發(fā)展是混凝土行業(yè)的重要方向。目前，圍繞低碳混凝土國(guó)內(nèi)外相關(guān)學(xué)者也做了大量研究，但其實(shí)踐應(yīng)用方面仍任重而道遠(yuǎn)。因此，梳理水泥和混凝土行業(yè)的減碳途徑，對(duì)實(shí)現(xiàn)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)意義重大。

2 混凝土的“海綿效應(yīng)”

整個(gè)水泥周期（從生產(chǎn)、使用到使用壽命結(jié)束）排放和吸收 CO₂的這種雙重作用稱(chēng)為“海綿效應(yīng)”。混凝土吸收二氧化碳的過(guò)程也稱(chēng)為混凝土的自然碳化過(guò)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(yīng)，生成碳酸鈣和其他非碳化相的過(guò)程，反應(yīng)在暴露于空氣中的表面進(jìn)行，隨著CO₂的擴(kuò)散逐漸緩慢地進(jìn)入混凝土內(nèi)部。盡管碳化會(huì)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(chǎn)過(guò)程中近一半的碳排放可能已被水泥及相關(guān)材料封存。因此，在混凝土長(zhǎng)期減碳策略中必須考慮將水泥以及相關(guān)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(huán)和相關(guān)的二氧化碳凈排放平衡示意圖^[8]。2014 年生產(chǎn)了4.2 Gt 的水泥和 0.2 Gt的水泥窯灰 (CKD)。2014 年的水泥庫(kù)存總計(jì)約75 Gt，幾乎平均分配給住宅、非-住宅和土木工程部門(mén)，每個(gè)部門(mén)約25 Gt。而2014年僅產(chǎn)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(zhàn)導(dǎo)致幾乎所有 (99.1%) 拆遷的水泥基材料被掩埋在垃圾填埋場(chǎng)中，或作為回填物和骨料的一部分路基。據(jù)統(tǒng)計(jì)^[8]，2014 年全球水泥循環(huán)產(chǎn)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(chǎn)及上游過(guò)程排放的CO₂總量中，58.4%來(lái)自碳酸鹽煅燒，32.9%來(lái)自燃料燃燒，8.6% 來(lái)自發(fā)電間接排放。結(jié)果表明，2014 年大部分CO₂吸收（約 80%）發(fā)生在建筑物和基礎(chǔ)設(shè)施中，CKD、建筑垃圾和拆除垃圾CO₂吸收總量約占20%。未來(lái)二氧化碳排放和吸收的路徑取決于水泥庫(kù)存的動(dòng)態(tài)和新建筑的材料效率。

因此，旨在使水泥行業(yè)減碳的政策或舉措都必須考慮“海綿效應(yīng)”，但僅考慮二氧化碳的被動(dòng)吸收以實(shí)現(xiàn)當(dāng)代氣候變化的目標(biāo)，仍極具挑戰(zhàn)性。

圖2 2014 年全球水泥循環(huán)和相關(guān)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(gè)生命周期，需對(duì)各個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行控制，從LCA視角來(lái)采取行動(dòng)以降低總體的碳排放：降低混凝土生產(chǎn)過(guò)程的CO₂排放，降低能源消耗，減少水泥用量，發(fā)展替代膠凝材料；提高混凝土耐久性，延長(zhǎng)使用壽命，降低維修重建的需要；減少?gòu)U棄物的產(chǎn)生，充分利用建筑垃圾，發(fā)展再生骨料。沒(méi)有單一的措施可以實(shí)現(xiàn)減排的目標(biāo)，只有各方面共同努力，控制質(zhì)量，提高效率，才能實(shí)現(xiàn)低碳。

3.1 低碳膠凝材料技術(shù)

3.1.1 水泥清潔生產(chǎn)技術(shù)

水泥生產(chǎn)過(guò)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(chǎn)方面主要通過(guò)改進(jìn)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(lái)降低生產(chǎn)能耗，提高能源利用效率^[10]。

3.1.2 水泥組分優(yōu)化技術(shù)

水泥組分優(yōu)化技術(shù)包括直接優(yōu)化和間接優(yōu)化。直接優(yōu)化時(shí)將其他低碳原料代替石灰石等天然原料用于水泥生產(chǎn)，如城市垃圾、工業(yè)固體廢棄物、建筑垃圾等[11]。間接優(yōu)化是將粉煤灰、礦渣、火山灰等工業(yè)廢渣作為混合材用于水泥生產(chǎn)，也稱(chēng)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(guī)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(fā)膠凝材料是在鋁硅酸鹽材料，如粉煤灰，與堿性激發(fā)劑，如硅酸鈉，之間反應(yīng)，形成硅酸鹽和鋁酸鹽的聚合物。近年來(lái)堿激發(fā)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(fā)混凝土使用堿激發(fā)膠凝材料，可以在生產(chǎn)中集合高堿含量的固體廢棄物。在有充足的適宜激發(fā)劑和激發(fā)材料的地區(qū)，以預(yù)制或預(yù)拌的形式在經(jīng)濟(jì)性上和技術(shù)上是可行的。但是，有效的堿性激發(fā)劑的可獲取性成為了堿激發(fā)膠凝材料應(yīng)用的限制。事實(shí)上，從世界范圍來(lái)看，目前生產(chǎn)的硅酸鈉不足以代替硅酸鹽水泥產(chǎn)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(chǎn)能耗的降低以及由此排放的CO₂的減少，同時(shí)煅燒過(guò)程所排放的CO₂也有所減少。據(jù)估算，能耗能降低14%，煅燒過(guò)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(chǎn)能耗27-37%，煅燒過(guò)程排放的CO₂減少18-48%。

CO2激發(fā)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(guó)和印度和美洲的墨西哥、美國(guó)等國(guó)家。也可以采用硅質(zhì)巖石和石灰石生產(chǎn)硅灰石，生產(chǎn)能耗比OPC降低54%，煅燒過(guò)程排放CO₂減少26%。

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

3.2 低碳骨料技術(shù)

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(shí)，骨料也是混凝土中最為穩(wěn)定的組分，適當(dāng)增大骨料比例，可減少膠凝材料用量，符合低碳混凝土技術(shù)原則。我國(guó)混凝土產(chǎn)量和用量巨大，對(duì)自然資源的消耗量也巨大，生產(chǎn)混凝土所用的天然骨料儲(chǔ)量大大減少，可用的天然骨料的品質(zhì)也有所降低，使用替代骨料是實(shí)現(xiàn)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(jīng)過(guò)機(jī)械加工制備的機(jī)制砂石骨料替代天然骨料近年來(lái)得到了推廣使用^{[13, 14]}。廢棄混凝土經(jīng)過(guò)清洗、破碎、分級(jí)后按照一定比例配合制得的再生骨料也是實(shí)現(xiàn)低碳混凝土的有效途徑^[15]。但再生骨料相對(duì)天然骨料，其品質(zhì)差異很大^[16]。因此，研究解決再生骨料的品質(zhì)控制是低碳混凝土發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)之一^{[17, 18]}。

3.3 低碳混凝土施工技術(shù)

低碳混凝土施工重點(diǎn)在于提高施工效率。在混凝土施工活動(dòng)中產(chǎn)生的廢棄材料約為用于建筑中的混凝土體量的50-100%，當(dāng)采用現(xiàn)場(chǎng)拌制時(shí)，這個(gè)比例會(huì)更高。更好的設(shè)計(jì)和現(xiàn)場(chǎng)的管理對(duì)于減少?gòu)U棄物非常重要，也是相對(duì)可以直接施行的。施工階段的管理，如拆模前的養(yǎng)護(hù)期長(zhǎng)短，也會(huì)影響效率，對(duì)混凝土生產(chǎn)所需的水泥的量也會(huì)造成顯著的改變。此外，更好的控制施工和養(yǎng)護(hù)期的用水量對(duì)結(jié)構(gòu)物的強(qiáng)度、耐久性和安全具有關(guān)鍵影響。

3D打印技術(shù)作為一種新的施工技術(shù)，近年來(lái)受到廣泛關(guān)注^[19]。3D打印技術(shù)不需要人力施工和模板，因此更為經(jīng)濟(jì)和低碳。但在實(shí)際施工中推廣應(yīng)用還面臨著很多問(wèn)題。例如目前的技術(shù)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(shí)在進(jìn)料和成型方面也存在困難。其他問(wèn)題還包括有密實(shí)、層間結(jié)合、孔隙率、以及打印材料的耐久性問(wèn)題^[20-22]。

3.4  混凝土耐久性提升技術(shù)

延長(zhǎng)混凝土的服役壽命也可以達(dá)到低碳的目的。混凝土的耐久性主要與鋼筋銹蝕有關(guān)，而抗銹蝕性能則主要取決于混凝土保護(hù)層的抗?jié)B性和鋼筋的抗銹蝕性。長(zhǎng)壽命混凝土相比于傳統(tǒng)混凝土，具有自增強(qiáng)、自防護(hù)和自修復(fù)的特點(diǎn)，從而增進(jìn)服役性能的提升、延緩服役性能的退化并促進(jìn)服役性能的恢復(fù)。可通過(guò)對(duì)混凝土配合比進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)、提高混凝土密實(shí)度、增強(qiáng)材料改性以及優(yōu)化孔結(jié)構(gòu)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)自增強(qiáng)。自防護(hù)主要體現(xiàn)在混凝土材料的自我防護(hù)和鋼筋的自防護(hù)方面。混凝土的自我防護(hù)技術(shù)主要在于配合比優(yōu)化、外加劑和外防護(hù)，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，不銹鋼鋼筋的防銹蝕性和防氯離子侵蝕性分別比傳統(tǒng)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(zhǎng)期效應(yīng)來(lái)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(duì)阻銹劑進(jìn)行接枝、采用遷移型阻銹劑等方法對(duì)鋼筋進(jìn)行防護(hù)^[25-27]。另外，使用玻璃纖維聚合物增強(qiáng)筋（GFRP）代替鋼筋也是自防護(hù)的一種方式。自修復(fù)技術(shù)也是一種混凝土耐久性提升技術(shù),自修復(fù)技術(shù)主要是使用水泥基材料修復(fù)裂縫，目前研究主要集中在通過(guò)礦物外加劑、微生物和聚合物膠粘劑實(shí)現(xiàn)自修復(fù)^[28-31]。有研究表明^[32]，超高性能混凝土的革新可以延長(zhǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的服務(wù)壽命，減少50%與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)修復(fù)有關(guān)的碳排放。混凝土結(jié)構(gòu)使用壽命每提高50%，可降低約14%的碳排放。

4 結(jié)語(yǔ)

水泥混凝土像海綿一樣在全球碳循環(huán)中扮演著雙重角色：水泥混凝土的生產(chǎn)排放了大量的二氧化碳，但其含鈣相會(huì)重新吸收大量大氣中的二氧化碳（自然碳化）。未來(lái)將混凝土作為碳匯的載體對(duì)混凝土的減碳非常重要。但要實(shí)現(xiàn)混凝土的低碳發(fā)展，仍需要從原材料、施工過(guò)程、服役及再生利用等多方面共同推進(jìn)。降低排放和CO₂利用齊頭并進(jìn)，不管是通過(guò)采用新技術(shù)還是嚴(yán)格的管理控制，對(duì)于達(dá)到混凝土的碳中和都是至關(guān)重要的。基于混凝土龐大的體量，混凝土生產(chǎn)效率的提高，如優(yōu)化混凝土組分、使用輔助膠凝材料、提高施工效率，會(huì)對(duì)混凝土的低碳減排產(chǎn)生重大影響。另外，加速混凝土產(chǎn)品的碳捕集，對(duì)于保證混凝土結(jié)構(gòu)的可持續(xù)性也是必不可少的，同時(shí)有利于推進(jìn)水泥和混凝土行業(yè)的碳中和。

參考文獻(xiàn)

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