混凝土材料的碳排放与减排技术路径

混凝土材料的碳排放与减排技术路径

赵 筠 

CCPA-UHPC分会

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混凝土材料的碳排放

从各种工程材料隐含的CO₂和能耗上来看（见图1），混凝土材料均属于最低的。生产每kg混凝土产品或结构隐含的CO₂当量介于0.05～0.3kg（从素混凝土砌块到高强钢筋混凝土）。GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》中^[2]，每立方米C30和C50混凝土隐含CO₂（碳排放因子）分别为295kg和385kg CO₂e/m³（按混凝土典型容重2350kg/m³计算，折合 0.12～0.16 kg CO₂e/kg）。从这个意义上来说，混凝土本身是低碳材料。

图1：常用工程材料隐含CO₂和能耗^[1]

然而，混凝土的使用量实在是太大了，全球每年建造房屋、水利、交通、市政设施等工程的混凝土用量以百亿吨计（大于10¹⁰吨，见图2，2009年统计数据）。混凝土虽然单位重量的碳排放不高，但乘以巨大的用量就带来了很大碳排放总量。

图2：23种材料的年产量 (2009，数据来源于Ashby)^[1]

混凝土隐含的CO₂主要来源于所使用的水泥。混凝土巨大使用量及不断增长，导致巨大的水泥需求量和产量增长。基于2000年统计数据，全球水泥生产的CO₂排放占总排放的5%^[1]，占全部温室气体排放的比例约为3.8%，见图3。中国 2000年水泥产量为8.5亿吨；2020年产量达到 23.77亿吨，约占全球水泥总产量的55%，人均水泥用量约1.7吨——世界第一且遥遥领先。2020年，我国CO₂总排放量估计为96.6～102.5亿吨 (估算的低值和高值)，水泥生产的CO₂排放约12.3亿吨^[4]，占排放总量的12%左右，是碳排放大户。

图3：世界范围各行业CO₂和温室气体排放(2000年数据)^[3]

水泥实现碳达峰和减排，需要水泥工业努力提高工艺技术和装备水平，降低水泥熟料隐含CO₂量和生产能耗。同样重要的是，从应用端减小水泥需求量来降低水泥产量。这需要混凝土和工程建设行业的共同努力。

混凝土减碳的潜力在于提高水泥的使用效率，从而减小水泥需求量，可行的技术路线有：（1）科学配制、精细化生产混凝土，有较大空间减少单位体积混凝土的水泥用量；（2）推广应用超高性能混凝土（UHPC），建设高质量、节材、低碳、高耐久工程结构。

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科学配制、精细化生产混凝土减碳降排

混凝土是颗粒堆积体材料，科学配制混凝土是采用科学手段，如成熟的数学模型、可靠试验方法，从最细粉体到最大骨料优化混凝土组成和粒径分布，获得高颗粒堆积密实度（具体方法详见文献[5]），即：减小颗粒堆积空隙的体积，从而减小每立方混凝土对水泥胶质的需求量。将砂石骨料的堆积密实度提高到70%，粉体堆积密实度从现在的30～50% 提高到60% 以上，同等强度等级混凝土的水泥用量可减少100～200kg/m³（与现在常规用量对比）。这对于大量生产使用的混凝土，蕴含巨大减少水泥用量的潜力。此外，优化粒径分布，能够同时改善混凝土的新拌性能，包括抗离析、泵送性能等，也容易实现自密实。也就是说，科学配制可以实现“用更少水泥配制生产性能更好的混凝土”。

工业化生产实现高堆积密实度的混凝土，骨料要从现在粗放的级配控制，走向更严格和细化的控制，特别是控制砂粒径分布符合要求且稳定。粉体堆积密实度提升的空间较大，粉体粒径分布也需要纳入质量管理，保证颗粒尺寸稳定性。总之，在科学配制的基础上，需要精细化的原材料质量和工艺控制，稳定实现高颗粒堆积密实度，从而高效率使用水泥，使混凝土工业向高质量和更加低碳方向发展。

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应用UHPC减碳降排和高质量发展

UHPC是以另一种方式高效使用水泥——更高程度地提高了颗粒堆积密实度，把水泥的胶结作用发挥到极致，制备出超高强度的混凝土或砂浆（抗压强度不低于120MPa），并借助纤维获得多方面力学性能优异、高耐久的水泥基复合材料（UHPC），再与钢筋组合形成高强高耐久工程结构材料（R-UHPC）。经过四十多年技术发展，UHPC产业初具规模，在桥梁、建筑等领域获得了一定应用，标准规范技术体系已初步建立起来，并在进一步发展完善中。

与传统钢筋混凝土（RC）和钢结构相比，UHPC材料不仅高效使用了水泥，同时更好更有效地发挥了钢材（钢纤维、钢筋及型钢）的强度。因此，对于同等功能的工程结构，使用R-UHPC建造，能显著地节材降耗和减碳降排，定量化对比参见图4示例——北美常用钢-RC复合结构公路桥与新型R-UHPC桥梁的材料消耗及隐含环境生态指标。

图4：钢-钢筋混凝(RC)复合结构桥与R-UHPC桥对比——材料用量、隐含能耗和碳排放^[6]

除了图4建造材料分析对比的内容外，还应将工程结构的服役寿命纳入对比。UHPC是耐久性最好的工程材料，保守估计其工程结构在恶劣自然环境中的免维护服役寿命超过200年，是其他材料的结构服役寿命的3倍以上。因此，从工程寿命周期对比，使用UHPC的节材减碳和减小水泥需求的作用，还会提高3倍以上。

此外，对于有缺陷、耐久性不良而老化或承载力不足的现有混凝土结构，应用UHPC进行维修保护、加固，可以显著提升其结构性能，并大幅度延长服役寿命。改造翻新大量现有老化工程结构，相比于拆除重建，可有效减小水泥的需求量。

可见，对于减小水泥需求，对于低碳、低资源消耗、高质量工程建设，UHPC能够发挥重要作用。

在工程设计阶段，应定量化算清楚各种设计方案建造材料隐含的碳排放、施工方法等产生的碳排放，以及预估寿命周期的成本、材料消耗和环境影响，并作为设计方案和材料比选决策的重要依据，促进工程建设向生态友好、高质量发展迈上新台阶。同时，为UHPC行业营造良好健康的发展环境，进一步创新发展、完善UHPC材料和应用技术体系，拓展UHPC应用，更多更好地利用UHPC的节材减碳能力，为“双碳”目标的实现作出更大贡献。

▼ 参考文献

[1] L. Barcelo, J. Kline,G. Walenta, E. Gartner, Cement and carbon emissions, Materials and Structures(2014) 47:1055–1065

[2] GB/T51366-2019《建筑碳排放计算标准》

[3] K. A. Baumert, T.Herzog, J. Pershing, Navigating the Numbers - Greenhouse Gas Data and International Climate Policy, World Resources Institute, 2005.

[4]中国建筑材料工业碳排放报告（2020年度，摘要）http://www./cbmf/xwfb/7074661/index.html

[5] 赵筠、路新瀛，构建科学智能混凝土配制新技术体系的设想和建议，混凝土世界，2019.10-2020.01(连载)

[6] 'Relevance of a Ductal solution forhighway bridges – Environmental comparison between 2 solutions for  a two-lane bridge, 30m long x 7.32m wide’(ppt), Lafarge, 2004.07

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