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文献速读 Nat. Commun. ：全球混凝土生产脱碳的当前途径  题目 Near-term pathways for decarbonizing global concrete production 全球混凝土生产脱碳的当前途径 来源 出版年份：2023年 来源：Nature communications 通讯作者：美国加州大学戴维斯分校Sabbie A. Miller 研究背景 水泥有多种用途，如制备混凝土和砂浆（所有使用水泥的复合材料均可称为混凝土）。混凝土主要成分由水泥基材料（水泥）、粗细骨料（砂和碎石）、水和外加剂组成，其具有较高的强度和耐久性，故能满足许多民用基础设施和建筑需求。 水泥基材料对于城市发展至关重要，当前尚无替代材料可充分发挥其功能。随着世界人口逐渐增长，城市地区的发展、维护和扩展需求相应增加。据预测，2030年将有近10亿人生活在城市，比2018年增加22%。随着城市化进程不断加快，对混凝土需求将持续上升，其增长速度将超过人口增长速度。然而，水泥基材料的生产将排放大量温室气体（GHG），约占全球人为碳排放量的8%，主要归因于熟料生产（水泥前驱体）。熟料是一种经过煅烧和淬火的材料，其生产需要高温形成所需的矿物结构，导致与热能燃料相关排放，以及生产过程中石灰石脱碳产生的碳排放。 到2050年，社会必须实现GHG净零排放，将全球变暖限制在比工业化前水平高1.5 °C以内。因此，水泥和混凝土等“难以脱碳”的行业必须找到缓解途径。当前有几种常见策略可缓解碳排放，如使用替代燃料、使用更高效的设备、碳捕集和封存技术（CCUS）、使用辅助胶凝材料（SCMs）减少熟料需求等。然而，当前CCUS技术并不成熟，使用其他材料替代水泥和骨料的功效可能遭受资源可用性、成本或行业保守性阻碍。减轻材料生产对环境影响的关键，在于提高材料效率（使用更少的材料实现相同的性能）。此步骤应与低碳排放材料替代品相结合，以克服建筑行业带来的GHG排放挑战。 研究出发点 在满足性能要求的同时减少材料需求，有助于提供必要的基础设施，且降低对环境影响。然而，当前工程结构设计在提高混凝土利用效率方面的研究有限。 研究内容 本文系统地量化了工艺改进、混凝土配合比、工程设计三者相结合在全球混凝土高效利用中的潜在作用。具体如下，考虑了以下方面带来的GHG减排效果：（i）利用工艺改进降低GHG排放潜力；（ii）混凝土混合物成分和配合比变化，（例如，用SCMs部分替代水泥）；（iii）选择不同的混凝土抗压强度、配筋率和钢筋混凝土（RC）构件的设计规范；（iv）提高建筑物和基础设施使用寿命延长的影响；将上述方法整合，以确定GHG减排的累积效应。本文对于理解如何推动替代材料技术以显著缓解GHG排放、制定适当政策指导混凝土合理使用以满足社会需求和缓解GHG排放至关重要。虽然减少GHG排放量也可通过使用替代结构系统实现（例如在某些情况下用钢框架代替混凝土框架），但由于RC与钢框架的对比分析高度依赖于所考虑的结构系统，本文仅关注RC的GHG减排作用。  图1 本工作中考虑的生产和材料效率改进方案  图2 水泥基材料、强度和工艺改进对每立方米混凝土GHG排放量影响  图3 高效结构设计对RC构件GHG排放影响  图4 生产和材料效率提高的GHG减排效果 主要结论 本文系统地量化了工艺改进、混凝土配合比、工程设计三者相结合在全球混凝土高效利用中的潜在作用，研究了2015－2100年间对上述策略的累积温室气体（GHG）减排效应。主要结论如下： （1）所有工艺改进将导致GHG排放量减少21%；增加SCMs（如粉煤灰和矿渣）的使用，将导致GHG排放量减少11%（以30%的替代率计算）至34%（以50%的替代率计算）；优化建筑应用的钢筋配筋和混凝土强度将使GHG排放量减少18.5%。 （2）将混凝土使用寿命从目前的区域平均使用寿命提高至4倍，可使全球水泥需求减少47.1%，碳排放量减少175.7亿吨。根据全球人口增长情况，由此产生的全球水泥需求会有所不同，故产生的GHG排放量也会有所不同。 （3）在现行设计规范中改进设计，达成水泥和混凝土可实现的GHG减排程度，可为工程师、材料科学家、政策制定者（或规范制定者）及其他利益相关者提供宝贵信息。 （4）根据联合国政府间气候变化专门委员会的研究结果，许多监管机构均强调未来几十年内实现二氧化碳净零排放的必要性。为实现《巴黎协定》和地区法规中设定的GHG减排目标，必须加强对水泥生产相关GHG排放的关注。 （5）由于难以完全消除水泥生产中石灰石碳排放，限制对这些材料需求的材料效率策略将是实现排放目标的要点。这一必要的减排机制已被行业（如全球水泥和混凝土协会）所认可。 本文展示了在已被接受的设计范围内GHG减排的巨大机会。在传统规范、材料规格和采购/设计决策中纳入环境影响评估以计算GHG减排量至关重要，应立即付诸实施。 |
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