【技术先锋】高性能混凝土的低碳化技术讨论

摘要

本文从混凝土生命过程角度分析了CO2排放的来源，阐述了水泥混凝土行业发展低碳经济的必要性，探讨了水泥生产和混凝土生产及应用领域实现低碳化的有效途径，为我国混凝土产业从高碳走向低碳，实现科技创新提供参考。

关键词

温室效应；高性能混凝土；低碳化；混凝土生命过程

 

1前言

随着全球工业的迅猛发展和人类对化石燃料的依赖，CO2的排放量日益增加，而大气中CO2含量增加造成的温室效应是造成全球气候变暖的主要原因，气候变暖导致严重的环境和生态危机已成为人类面临的最大挑战之一。

近几十年来，我国的经济建设对资源和能源的需求大幅度增长，能源的快速消耗使我国面临着严重的能源危机 。

既要保证社会经济的不断发展，又要保护人类赖以生存的环境，协调、解决这一尖锐矛盾的唯一出路就是低碳经济，2003年，英国在能源白皮书《我们能源的未来：创建低碳经济》中最早提出“低碳经济”这一概念，随后迅速为很多国家所采纳，成为一种新型的可持续发展模式，哥本哈根会议的召开再次使低碳经济成为全球瞩目的焦点。

目前，我国已经提出了控制温室气体排放的行动目标，到2020年，单位GDP的CO2排放量比2005年下降40%-45%。

庄贵阳认为，低碳经济的实质是能源效率和清洁能源结构问题，核心是能源技术创新和制度创新，目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展。

低碳技术是发展低碳经济的重要支撑，广泛涉及石油、化工、交通、建筑等多个领域。混凝土低碳化是指在水泥和混凝土材料生产和应用上研发低碳排放技术，积极推动建材行业经济的发展。

一方面，水泥工业是CO2排放的主要来源，降低水泥工业CO2排放是实现减排的重点之一；另一方面，对水泥的生料和混合材进行优化、开发新型水泥品种、减少混凝土中水泥用量，即可达到显著的减排效果，而且水泥砼工业的减排又能促成一些工业固体废弃物的综合利用，是建筑业节能减排的具有很好社会效益的途径。

高性能混凝土是具备绿色建材基本要素的建筑材料。

冯乃谦认为高性能混凝土应同时具有高耐久性和高强度。通过研究高性能混凝土的低碳化技术，能够更好的体现高性能混凝土的环境共融性，为高性能混凝土向绿色化发展提供依据，对混凝土的可持续发展具有深远的意义。

2混凝土生命过程的碳排放

混凝土生命过程是指混凝土从设计（主要指原材料组成）、生产、浇注、使用直至破坏失效的整个过程。

作为一种用量最大的结构工程材料，水泥从原燃料开采，到水泥生产、水泥应用（混凝土拌合与施工等）、混凝土服役过程到废弃混凝土的处置过程，以及这些过程的运输和储存等环节都会产生不容忽视的CO2排放。

水泥混凝土的生命过程如图1所示：

2.1水泥生产

水泥被誉为“建筑工业的粮食”，是混凝土的主要组成材料。水泥工业中CO2排放来自两个部分：一部分作为原料石灰石的排放；另一部分作为燃料的煤的燃烧释放。

据统计，2009年我国的水泥产量达到16.3亿吨；原煤产量达到29.6亿吨，燃烧所排放的CO2为77.5亿吨，其中水泥生产能耗约1.8亿吨煤，占全国总能耗消耗的6.6%，CO2排放总量为13.8亿吨，占当年全国水泥总排放量的26.1%。

水泥在生产过程中，资源和能源消耗量大，对环境的污染严重。

1吨水泥熟料平均含有CaO约650公斤，按此计算由生料中的CaCO3排出CO2 511kg；燃料燃烧排放出的CO2 500kg左右，则总排放量就达1t左右，CO2是产生“温室效应”的源头，而据统计水泥的CO2排放量占全球CO2总排放量的1/10左右 。

随着国民经济的快速发展，水泥的需求量还在大幅上升。据预测2010年我国水泥工业资源消耗及排污数量如表1所示：

2.2原材料运输及商品混凝土运输

过程中排放的CO2

材料生产过程中的运输距离以5km计，混凝土生产过程中原材料在运输过程中的运输距离以30km计，则每年由汽车运输排出的CO2也是不容忽视的，增加运输距离对碳排放的提高是非常明显的。

2.3 混凝土生产电耗

据计算，生产1m3混凝土所需的电耗约为2kwh，而我国年生产砼近30亿m3，生产1度电消耗标准煤约0.4kg，那么每年由此而排出的CO2量是相当惊人的。

3混凝土的低碳化技术讨论

3.1水泥生产领域

如何实现水泥工业的低资源消耗、减少CO2、废气和粉尘排放，已成为迫切需解决的问题。实现水泥的低碳化，主要措施有：

3.1.1水泥生产工艺的改进

虽然陈超[10]认为水泥生产工艺改进引起的CO2和粉尘减排不能平衡由水泥产量增加导致的污染排放增长，但通过改造水泥窑炉和粉磨设备的设计，提高煅烧和粉磨效率，开发CO2分离、捕获及转化技术，仍能在相当程度上提高CO2减排效率。

3.1.2加强各种低碳排放

胶凝材料的研究与开发

1957年，乌克兰基辅建筑科技大学研制出一种碱激发水泥，它是利用高浓度碱或碱金属硅酸盐和碳酸盐矿渣粉等制备出一系列胶凝材料。

它具有节能和低碳排放、早强高强、强度增长持续、高抗渗性、低水化热等优点，但其目前仍存在凝结过快、泛碱、粉化、强度变异过大，收缩开裂严重等缺点，还需要进行更深入的研究。

J.Harrison 发明的活性氧化镁水泥也是一种低CO2排放水泥，这种水泥中活性MgO水化形成纤维状和层状结构的Mg(OH)2，对水泥强度形成十分有利，尽管从MgCO3到MgO过程中排放了CO2，但是其碳化过程起到了固定CO2的作用，与硅酸盐水泥不同的是这种碳化作用提高了其服役性能而不是水泥劣化的标志，其CO2排放过程是可逆的。

在研究开发新型胶凝材料方面，可浇筑、高耐久高强石膏是目前国际上建筑材料研究的热点和方向，普通水泥混凝土在废弃后难以回收利用，而可浇筑、高耐久高强石膏的生产，基本不排放CO2，废弃的石膏经简单加工后还可重复使用，目前国际上研究的高强石膏强度已超过60MPa，并具有抗侵蚀、耐气候等良好的耐久性能。

此外，还有很多学者提出研发低钙水泥等水泥新品种以及利用多品种混合材生产多品种多等级水泥等措施来达到减排的目的，这对于CO2减排会有一定的作用，但就我国目前的情况而言，在一段时间内普通硅酸盐水泥仍将是水泥品种的主流，上述措施受原料条件、市场等因素的影响会有较大的局限性。

3.1.3研究开发高强、高性能水泥熟料

熟料的烧成是水泥制造中碳减排的关键，与发达国家相比，我国在高效利用水泥熟料、减少熟料烧失量方面还存在一定差距，需加大研究力度，开发和推广新型高标号熟料、高活性熟料，减少熟料用量，达到减排的目的。

3.1.4发展综合利用和协同处理技术

研究水泥窑炉综合利用和协同处理废弃物关键技术和设备，也是低碳化的一种途径。同时粉煤灰、火山灰、矿渣、硅灰、沸石粉作为水泥的原材料或混合料已有较多的成果，应按工程特点扩大用量。

3.1.5工业废渣高压聚合技术

此技术通过对工业废渣适当组合能在高压下发生聚合，获得非常高的强度，从而有效地降低水泥的用量。研究更高压力下各种废渣有效组合制备高强制品，是建材行业最有效的一种低碳技术，同时为工业废渣利用提供了一种途径。

3.1.6开发应用替代原、燃料技术

采用低化石燃料替代传统燃料、用非碳酸盐钙质原料替代石灰石，如在水泥制造领域，利用粉煤灰、煤矸石、电石渣、各种尾矿渣、费石膏[9]等替代部分石灰石原料以及利用经过适当处理的工业废渣替代水泥熟料，减少生产中CO2直接排放；利用废轮胎、废油泥、废塑料等可燃废弃物替代燃料，这方面我国具有很大发展潜力。

3.2 混凝土生产与应用领域低碳化技术

水泥工业的CO2排放量占人类活动碳排放量的5-10%，因此，降低水泥生命周期内CO2排放量是综合降低混凝土生产与应用领域CO2排放的基础。

3.2.1 研究减少混凝土中水泥用量的技术

以粉煤灰等废弃资源代替部分水泥，使混凝土中的水泥量大大降低。如国外已研究出大体积粉煤灰高性能混凝土（HVFA），且强度、干燥收缩、耐久性等表现良好，它最多含50%-60%的粉煤灰[13]。这种新型混凝土中，水泥的用量大为减少，其减排潜力巨大。

3.2.2开发研究新型混凝土外加剂

广州三骏建材科技有限公司研究出的CTF混凝土增效剂，在掺量仅为胶凝材料0.6%的情况下，可降低水泥用量10-15%，且砼和易性、抗泌水、抗离析及抗冻性均得到明显提高。

在提高水泥性能方面，我国一直都在研究利用外加剂来增加混凝土的寿命和耐腐蚀性，不过对于庞大的中国建筑工程量来说，这种“减碳”措施所取得的效果还远远不够。

3.2.3 再生骨料生产可再生混凝土

日本小野田水泥公司利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料(原料中70%为废弃物，其中城市垃圾灰占40%－50%，另补充石灰石原料20%-30%)生产出高强度水泥，并利用再生水泥制备混凝土。此外，日本将再生骨料以不同比例取代石灰石骨料配制混凝土，取得很好的成效。德国对再生骨料的分类处理见下图所示：

3.2.4 混凝土施工工艺

沈卫国等[15]针对混凝土中浆体过多，粗集料不足的现状，发明了一种名为抛填骨料法的混凝土施工工艺，该工艺已获国家知识产权局授予的发明专利，这种施工工艺在保证原混凝土拌合物的工作性的同时，还能大幅度提升混凝土的强度和耐久性能，显著节省了混凝土的材料费用，减少了CO2的排放，实现了混凝土的绿色高性能化。

Mehta和Langley描述了一种无裂缝的整体浇灌混凝土基础，设计寿命至少为100年。

康明等指出运用混凝土循环设计思想，采用合适的配合比和适当工艺，可基本实现生态环境混凝土和生态环境水泥的闭合循环，且测试表明，其强度等各方面性能可完全满足建筑要求。

3.2.5提高砼耐久性

我国每年有近30亿立方米混凝土用于基础设施和重大工程建设，因此，想方设法延长混凝土的使用寿命，就是很好的低碳经济的措施。

传统的混凝土，由于各方面原因，其寿命一般只有30年，而高性能混凝土的使用寿命可达到100年，因此，高性能混凝土通过大幅度提高混凝土的耐久性，延长结构物的使用寿命，大大地减少了工程的维修和重建费用。

此外，耐久性的提高还节省了用于生产混凝土的各种原材料以及开采、加工等能源消耗，显然这对混凝土实现绿色生态化做出了巨大的贡献。由此可见，要实现混凝土低碳化的根本在于提高混凝土的耐久性。

利用矿物掺合料的耐久效应，提高混凝土的耐久性，实现高性能混凝土的可持续发展。

3.2.6研发生产低碳混凝土

爱尔兰17个主要混凝土制造商曾联合推出过一款“超低碳混凝土”，用一种“绿色水泥”制造，它能够减少新建筑碳排放量的25%。

通过使用该低碳混凝土，建筑业每年将能够少排放超过200万吨的二氧化碳，而这也相当于一年减少了50多万辆汽车在道路上行驶。

申文胜等[18]通过使用工业副产品ECM水泥（一种低碳水泥）替代普通水泥，生产出的低碳混凝土，可降低40%CO2的排放量。

4结论

通过对水泥混凝土产业低碳化技术的讨论，水泥混凝土产业走低碳经济发展之路，是解决资源、能源、环境和污染物排放问题，提高整体竞争力的必然选择，而加快科技创新则是推动低碳经济发展的关键。

因此针对水泥混凝土产业自身特点，建材行业应大力推进科技创新，明确创新目标和重点，依靠科技创新，支撑水泥混凝土产业从高碳走向低碳，实现可持续发展，为国民经济建设和低碳经济的发展做出应有的贡献。