被忽视的“碳汇”--水泥

建筑碳中和建筑碳中和2022-02-11 20:19

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联合国政府间气候变化专门委员会 （IPCC）第六次评估报告的第一部分《气候变化2021：自然科学基础》于2021年8月9日发布。

报告反映了归因科学方面的重大进展，即了解气候变化在加剧特定天气气候事件（如极端热浪和强降雨事件）中的作用。报告还显示，人类的行动有可能决定未来的气候走向。有证据清楚地表明，虽然其他温室气体和空气污染物也能影响气候，但二氧化碳仍然是气候变化的主要驱动因素。

而作为最广泛使用的建筑材料，水泥和混凝土对环境的影响越来越被关注。由于水泥生产过程排放的大量二氧化碳，一直被认为是全球大气二氧化碳重要的排放源。但研究表明其实在水泥的碳化过程中，二氧化碳会被水泥吸收，足以抵消近1/4的生产水泥所排放的温室气体。

水泥是国民经济重要的基础原材料，中国水泥总产能占世界总产能约60％。根据国家统计局数据显示，2021年，全国累计水泥产量23.63亿吨，同比下降1.2%。

根据中国建筑能耗与碳排放研究报告 （2021），2019年水泥碳排放达到11.29亿吨，而能耗高达2.37亿tce。

从全世界范围来看，水泥行业的 CO2排放量从 1990 年的 0.86 Gt 增加到 2019 年的 2.46 Gt（增加了 186%）。是全球第二大工业 CO2排放源，约占全球工业 CO2排放量的 25%。

水泥和混凝土生产对全球变暖的贡献

水泥生产过程的碳排放主要来源于两方面：一方面，石灰石的分解会释放二氧化碳；另一方面，燃料燃烧会释放二氧化碳。研究表明，水泥窑中 CaCO3向CaO的化学转化（即煅烧）导致的CO2排放比例高于燃料消耗排放的CO2。

全世界每年生产约260亿吨混凝土。这一产量预计至少在未来20年内不会放缓。

被忽视的“碳汇”

2016年11月21日，中国科学院沈阳应用生态研究所（以下简称沈阳生态所）牵头的国际研究团队在国际顶级期刊《自然·地球科学》(Nature Geoscience)发表了研究论文《实质性的全球水泥碳化的碳吸收(CO2sequestered in cement by carbonation)》，郗凤明是论文第一作者，他带领团队在全球水泥材料碳化的碳吸收研究方面取得重大进展。

研究团队发现：水泥这种广泛应用的建筑材料吸收了大量的全球水泥生产过程排放的二氧化碳，也是重要的碳汇（从空气中清除二氧化碳的过程、活动、机制）。1930－2013年，全球水泥工业过程二氧化碳排放高达381亿吨，而同期水泥材料碳汇吸收量高达165亿吨，即这个时期内43%的水泥工业过程的二氧化碳排放又被使用后水泥材料吸收回来。

研究显示水泥材料的碳化过程一开始发生于水泥材料和建筑物表面，之后缓慢渗透入水泥材料内部。而在建筑物生命周期终结时，由于建筑物的拆除填埋等导致水泥材料有更多的暴露面积，此时水泥材料的碳化速率还会显著增加。

这支国际团队的研究采用了生命周期评价和碳化模型方法，来研究水泥材料的二氧化碳吸收过程和影响因素。研究人员首次构建了水泥材料二氧化碳吸收核算方法，通过将水泥材料分为混凝土、水泥砂浆、建设过程中的水泥废弃物和水泥窑灰，分别量化不同环境条件下的不同水泥材料的二氧化碳吸收量。

从全球不同国家和区域来看，1994年以前，欧洲水泥碳汇量最大，而后中国年碳汇量占比逐渐增大。郗凤明表示，从不同的水泥材料来看，水泥砂浆的碳汇量最大，这是由于水泥砂浆使用厚度小、暴露表面积大、碳化速度快。

数据显示，2013年全球尺度水泥碳吸收量占包括化石能源燃烧在内的人类活动碳排放的2.5%，中国2013年水泥碳吸收量占中国自身碳排放总量的5%，1930年累计至2013年的中国水泥碳吸收量占中国2013年排放总量的50%以上。

固“碳”的新型混凝土

一、用建筑垃圾生产混凝土并捕获二氧化碳

混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，但它带来了巨大的环境成本。所以研究人员一直在努力寻找能够替代水泥的材料，以希望减少温室气体的排放。日本的工程师开发了一种新技术，通过回收废弃混凝土并将其与捕获的二氧化碳结合来制造混凝土。

日本工程师开发出一种更环保的混凝土，通过回收旧废混凝土制成

据估计，多达 8%的全球二氧化碳排放是混凝土生产的结果，其中大部分来自将石灰石加热到非常高的温度以产生钙，钙是形成混凝土的化学反应的关键组成部分。先前的研究已经研究了减少或替换粘合剂的方法，在混合物中使用捕获的 CO2，甚至提高成品吸收大气 CO2的能力。

在这项新研究中，东京大学和其他机构的研究人员开发了一种工艺，可以同时以多种方式减少混凝土的环境足迹。一方面，新材料是由旧的混凝土碎石制成的，这些碎石经常被浪费掉。这不仅延长了旧材料的使用寿命，而且该过程可以在约 70 °C (158 °F) 下进行，远低于燃烧石灰石所需的温度（远高于 1,000 °C (1,832 °F)）。另一个好处是与它混合的二氧化碳可以来自工业废气或直接从空气中提取。

在测试中，该团队从两种常见的建筑废料中的一种，即硬化水泥浆 (HCP) 或硅砂中制作了样品块。该过程从碳酸氢钙溶液开始，由石灰石粉、去离子水和二氧化碳气体组成。然后将该溶液泵入含有其中一种骨料（HCP 粉末或硅砂）的模具中，然后将其加热至 70 °C。最终的结果是一块新材料，团队称之为碳酸钙混凝土。

两种新混凝土样品，使用普通建筑废料制成——硬化水泥浆 (HCP) 粉和硅砂2021 丸山等。

它可能对环境更友好，但碳酸钙混凝土还没有通常的材料那么坚固。砌块的平均抗压强度为 8.6 MPa，远低于硅酸盐水泥制成的 20 至 40 MPa 的混凝土。然而，该团队表示，它可用于较小规模的建筑，并且可以通过进一步的研究工作进行改进。

“在这一领域取得进展令人兴奋，但仍有许多挑战需要克服。”该研究的作者 Takafumi Noguchi 说。“除了提高碳酸钙混凝土的强度和尺寸限制外，如果我们能进一步减少生产过程的能源消耗，那就更好了。但是，我们希望在未来几十年，碳中性碳酸钙混凝土将成为混凝土的主流类型，并成为应对气候变化的解决方案之一。”

二、每立方米固定100公斤CO2以上的混凝土

日本政府在2020年12月制定的“绿色增长战略”中将将鹿岛建设株式会社的混凝土“CO2-SUICOM”（SUICOM，同日语“吸い込む”发音，意为“吸收”。译者注）指定为吸收和固定CO2的代表性技术之一。

日本碳中和社会产业概念图

普通混凝土在生产过程中每立方米排放约 288 千克二氧化碳，但 CO2-SUICOM 已达到约负 18 千克。这是世界上第一种不仅碳负值而且能够在固化过程中吸收二氧化碳的混凝土。

“CO2-SUICOM”特征分析

(1)通过碳化反应固化CO2

空气中(浓度约0.03%)CO2渗透到混凝土内部，与其中的水化物发生化学反应后生成碳酸盐和水，使混凝土碱度降低的过程称为混凝土碳化。水泥在水化过程中生成大量的氢氧化钙，使混凝土空隙中充满了饱和氢氧化钙溶液，其碱性介质对钢筋有良好的保护作用。碳化后使混凝土的碱度降低，当碳化超过混凝土的保护层时，在水与空气存在的条件下，就会使混凝土失去对钢筋的保护作用，导致钢筋生锈。碳化作用一般不会直接引起混凝土性能的劣化，对于素混凝土，有研究指出碳化还能提高混凝土的强度。

混凝土的CO2碳化深度结果比较

(2)特殊掺和料与固废的有效利用

“CO2-SUICOM”的组成材料中，最关键的材料是γ型硅酸二钙(简称:γ-C2S)为主要组分的粉末。

γ-C2S

γ-C2S与水不发生化学反应，但与CO2发生碳化反应，它可使混凝土内部结构致密化，强度发展性能良好。利用γ-C2S的这种特性，可通过碳化反应，在满足混凝土性能的同时，替代部分水泥实现节能减排。

生产过程中二氧化碳排放量比较

(3)“CO2-SUICOM”的CO2削减效果

用γ-C2S与粉煤灰替代部分水泥为特征的“CO2-SUICOM”，与一般混凝土相比，其CO2约可削减197kg/m。并且，如果减去因碳化反应固化在混凝土内部的CO2量(分析值: 109kg/m’)，可实现CO2的负排放。

二氧化碳总排放量比较

“CO2-SUICOM”性能分析

（1）耐磨性强

“CO2-SUICOM”和一般混凝土相比，虽然大幅降低了水泥用量，但通过γ-C2S的碳化反应，其强度可达到甚至超过一般混凝土。

使用快速脱模砂浆的“CO2-SUICOM”生产的联锁砌块，其抗折强度能达到5MPa以上，完全满足车行道路的性能要求。并且，“CO2-SUICOM通过碳化反应提高其内部致密性，与一般砌块相比，其耐磨耗性能大幅提高。

混凝土磨耗量比较

（2）可抑制泛碱现象

“CO2-SUICOM”最大的特征在于通过碳化反应降低混凝土的pH值，因此可有效控制混凝土的泛碱。使用一般混凝土时，联锁砌块的泛碱发生率接近50%，而使用“CO2-SUICOM”则几乎不发生泛碱现象。因此，“CO2-SUICOM”可有效抑制泛碱现象的发生，不损害混凝土的美观和安全性(泛碱部位容易打滑)，可广泛用于道路铺装。

泛碱现象发生率比较

泛碱现象比较

工程应用

这种环保混凝土已作为预制材料用于各种基础设施和建筑项目，SUICOM 已被用于建造墙壁、楼板和联锁块。在不久的将来，开发商打算将这项技术应用于更广泛的建筑材料。

（1）应用于道路铺装

2011年3月，使用“CO2-SUICOM”生产的砌块被用于广岛县福山市的中国电力福山太阳能发电所的车道铺装、护栏基础及道路分界等部位。截至目前，其使用效果良好。今后，将定期对上述砌块进行强度试验等，积累数据并确认其长期耐久性。

福山太阳能发电所

（2）应用于预制构件

此外，“CO2-SUICOM”在建筑行业也有所应用。通过配合比调整，既保证了“CO2-SUICOM”的二氧化碳负排放，还实现了C50级别的高强度。用C50高强“CO2-SUICOM”制造的预制构件被用作集合住宅免拆模板露台的建造。

CO2-SUICOM预制构件的应用

前景展望

进入21世纪，煤炭依然作为生产电力的主要能源而被广泛应用，这决定了削减碳排放，控制温室效应的进一步发展依然任重道远，因此削减二氧化碳排放的技术开发也变得迫在眉睫。“CO2-SUICOM”就是在这种背景下研发成功的。

但是，SUICOM的普及推广仍要面对许多需要跨越的障碍。鹿岛技术研究所表示，SUICOM自投入实际使用至今已有10年的时间，其中包括以环保为特征的公寓吊顶、太阳能发电厂的地基等约15个案例。高级研究员坂井吾郎对这些案例进行总结，并分析称：“至今为止，一直重视混凝土的强度等，对其CO2吸收功能基本上没有需求。”

随着全球碳中和的发展，SUICOM可提供的附加值得到了重新评估，但仍存在生产体制和价格等问题。由于运输成本占比较大，因此地产地消是混凝土的主流，但SUICOM生产设备制造商仅限于兰德斯株式会社（冈山县真庭市）等，无法满足大量需求。此外，因其使用特殊的替代材料，所以价格为1公斤100日元（约5.63元），比普通混凝土制品的30日元（约1.69元）高出3倍以上。

据日本政府估计，2030年吸收二氧化碳的混凝土的市场规模预计将扩大到15-40万亿日元（约0.8万亿元-2.3万亿元）。

水泥减碳仍需要更多“颠覆性技术”

2021年1月24日，国务院印发《“十四五”节能减排综合工作方案的通知》，提出以钢铁、有色金属、建材、石化化工等行业为重点，推进节能改造和污染物深度治理。“十四五”时期，规模以上工业单位增加值能耗下降13.5%，万元工业增加值用水量下降16%。到2025年，通过实施节能降碳行动，钢铁、电解铝、水泥、平板玻璃、炼油、乙烯、合成氨、电石等重点行业产能和数据中心达到能效标杆水平的比例超过30%。

根据行业现状，水泥行业通过现有节能及替代石灰石原料技术(因耗量巨大且替代资源很有限)减碳空间有限。大概率预计，末来四年关键窗口期, 单位水泥碳排放平均降幅要达到5%，须付出巨大努力。

由于水泥产品及生产原料、工艺特点和巨大的消耗量，碳减排的难度极大，时间与任务非常紧迫。

过去20年，我国水泥行业基本完成技术结构调整，在节能降耗方面取得实质性进展，在现有技术条件下，进一步减排二氧化碳的潜力与弹性已十分有限。因此，水泥行业仍需应用更多“颠覆性”技术，才能实现碳中和。