混凝土材料的碳排放

從各種工程材料隱含的CO₂和能耗上來看（見圖1），混凝土材料均屬于最低的。生產(chǎn)每kg混凝土產(chǎn)品或結(jié)構(gòu)隱含的CO₂當量介于0.05～0.3 kg（從素混凝土砌塊到高強鋼筋混凝土）。GB/T51366—2019《建筑碳排放計算標準》中^[2]，每立方米C30和C50混凝土隱含CO₂（碳排放因子）分別為295 kg和385 kg CO₂e/m³（按混凝土典型容重2350kg/m³計算，折合 0.12～0.16 kg CO₂e/kg）。從這個意義上來說，混凝土本身是低碳材料。

圖1：常用工程材料隱含CO₂和能耗^[1]

然而，混凝土的使用量實在是太大了，全球每年建造房屋、水利、交通、市政設(shè)施等工程的混凝土用量以百億噸計（大于 1010 噸，見圖2，2009年統(tǒng)計數(shù)據(jù)）。混凝土雖然單位重量的碳排放不高，但乘以巨大的用量就帶來了很大碳排放總量。

圖2：23種材料的年產(chǎn)量 (2009，數(shù)據(jù)來源于Ashby)^[1]

混凝土隱含的CO₂主要來源于所使用的水泥。混凝土巨大使用量及不斷增長，導(dǎo)致巨大的水泥需求量和產(chǎn)量增長?；?000年統(tǒng)計數(shù)據(jù)，全球水泥生產(chǎn)的CO₂排放占總排放的5%^[1]，占全部溫室氣體排放的比例約為 3.8%，見圖3。中國 2000年水泥產(chǎn)量為 8.5 億噸；2020年產(chǎn)量達到 23.77億噸，約占全球水泥總產(chǎn)量的55%，人均水泥用量約1.7噸——世界第一且遙遙領(lǐng)先。2020年，我國CO₂總排放量估計為 96.6～102.5億噸 (估算的低值和高值)，水泥生產(chǎn)的CO₂排放約 12.3億噸^[4]，占排放總量的12%左右，是碳排放大戶。

圖3：世界范圍各行業(yè)CO₂和溫室氣體排放(2000年數(shù)據(jù))^[3]

水泥實現(xiàn)碳達峰和減排，需要水泥工業(yè)努力提高工藝技術(shù)和裝備水平，降低水泥熟料隱含CO₂量和生產(chǎn)能耗。同樣重要的是，從應(yīng)用端減小水泥需求量來降低水泥產(chǎn)量。這需要混凝土和工程建設(shè)行業(yè)的共同努力。

混凝土減碳的潛力在于提高水泥的使用效率，從而減小水泥需求量，可行的技術(shù)路線有：（1）科學(xué)配制、精細化生產(chǎn)混凝土，有較大空間減少單位體積混凝土的水泥用量；（2）推廣應(yīng)用超高性能混凝土（UHPC），建設(shè)高質(zhì)量、節(jié)材、低碳、高耐久工程結(jié)構(gòu)。

科學(xué)配制、精細化生產(chǎn)混凝土減碳降排

混凝土是顆粒堆積體材料，科學(xué)配制混凝土是采用科學(xué)手段，如成熟的數(shù)學(xué)模型、可靠試驗方法，從最細粉體到最大骨料優(yōu)化混凝土組成和粒徑分布，獲得高顆粒堆積密實度（具體方法詳見文獻[5]），即：減小顆粒堆積空隙的體積，從而減小每立方混凝土對水泥膠質(zhì)的需求量。將砂石骨料的堆積密實度提高到70%，粉體堆積密實度從現(xiàn)在的30～50% 提高到60% 以上，同等強度等級混凝土的水泥用量可減少100～200kg/m³（與現(xiàn)在常規(guī)用量對比）。這對于大量生產(chǎn)使用的混凝土，蘊含巨大減少水泥用量的潛力。此外，優(yōu)化粒徑分布，能夠同時改善混凝土的新拌性能，包括抗離析、泵送性能等，也容易實現(xiàn)自密實。也就是說，科學(xué)配制可以實現(xiàn)“用更少水泥配制生產(chǎn)性能更好的混凝土”。

工業(yè)化生產(chǎn)實現(xiàn)高堆積密實度的混凝土，骨料要從現(xiàn)在粗放的級配控制，走向更嚴格和細化的控制，特別是控制砂粒徑分布符合要求且穩(wěn)定。粉體堆積密實度提升的空間較大，粉體粒徑分布也需要納入質(zhì)量管理，保證顆粒尺寸穩(wěn)定性?？傊诳茖W(xué)配制的基礎(chǔ)上，需要精細化的原材料質(zhì)量和工藝控制，穩(wěn)定實現(xiàn)高顆粒堆積密實度，從而高效率使用水泥，使混凝土工業(yè)向高質(zhì)量和更加低碳方向發(fā)展。

應(yīng)用UHPC減碳降排和高質(zhì)量發(fā)展

UHPC是以另一種方式高效使用水泥——更高程度地提高了顆粒堆積密實度，把水泥的膠結(jié)作用發(fā)揮到極致，制備出超高強度的混凝土或砂漿（抗壓強度不低于120MPa），并借助纖維獲得多方面力學(xué)性能優(yōu)異、高耐久的水泥基復(fù)合材料（UHPC），再與鋼筋組合形成高強高耐久工程結(jié)構(gòu)材料（R-UHPC）。經(jīng)過四十多年技術(shù)發(fā)展，UHPC產(chǎn)業(yè)初具規(guī)模，在橋梁、建筑等領(lǐng)域獲得了一定應(yīng)用，標準規(guī)范技術(shù)體系已初步建立起來，并在進一步發(fā)展完善中。

與傳統(tǒng)鋼筋混凝土（RC）和鋼結(jié)構(gòu)相比，UHPC材料不僅高效使用了水泥，同時更好更有效地發(fā)揮了鋼材（鋼纖維、鋼筋及型鋼）的強度。因此，對于同等功能的工程結(jié)構(gòu)，使用R-UHPC建造，能顯著地節(jié)材降耗和減碳降排，定量化對比參見圖4示例——北美常用鋼-RC復(fù)合結(jié)構(gòu)公路橋與新型R-UHPC橋梁的材料消耗及隱含環(huán)境生態(tài)指標。

圖4：鋼-鋼筋混凝(RC)復(fù)合結(jié)構(gòu)橋與R-UHPC橋?qū)Ρ取牧嫌昧?、隱含能耗和碳排放^[6]

除了圖4建造材料分析對比的內(nèi)容外，還應(yīng)將工程結(jié)構(gòu)的服役壽命納入對比。UHPC是耐久性最好的工程材料，保守估計其工程結(jié)構(gòu)在惡劣自然環(huán)境中的免維護服役壽命超過200年，是其他材料的結(jié)構(gòu)服役壽命的3倍以上。因此，從工程壽命周期對比，使用UHPC的節(jié)材減碳和減小水泥需求的作用，還會提高3倍以上。

此外，對于有缺陷、耐久性不良而老化或承載力不足的現(xiàn)有混凝土結(jié)構(gòu)，應(yīng)用UHPC進行維修保護、加固，可以顯著提升其結(jié)構(gòu)性能，并大幅度延長服役壽命。改造翻新大量現(xiàn)有老化工程結(jié)構(gòu)，相比于拆除重建，可有效減小水泥的需求量。

可見，對于減小水泥需求，對于低碳、低資源消耗、高質(zhì)量工程建設(shè)，UHPC能夠發(fā)揮重要作用。

在工程設(shè)計階段，應(yīng)定量化算清楚各種設(shè)計方案建造材料隱含的碳排放、施工方法等產(chǎn)生的碳排放，以及預(yù)估壽命周期的成本、材料消耗和環(huán)境影響，并作為設(shè)計方案和材料比選決策的重要依據(jù)，促進工程建設(shè)向生態(tài)友好、高質(zhì)量發(fā)展邁上新臺階。同時，為UHPC行業(yè)營造良好健康的發(fā)展環(huán)境，進一步創(chuàng)新發(fā)展、完善UHPC材料和應(yīng)用技術(shù)體系，拓展UHPC應(yīng)用，更多更好地利用UHPC的節(jié)材減碳能力，為“雙碳”目標的實現(xiàn)作出更大貢獻。

▼ 參考文獻

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

[2]  GB/T51366-2019《建筑碳排放計算標準》

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

[4]  中國建筑材料工業(yè)碳排放報告（2020年度，摘要）http://www.cbmf.org/cbmf/xwfb/7074661/index.html

[5]  趙筠、路新瀛，構(gòu)建科學(xué)智能混凝土配制新技術(shù)體系的設(shè)想和建議，混凝土世界，2019.10-2020.01(連載)

[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

趙筠：中國混凝土與水泥制品協(xié)會超高性能水泥基材料與工程技術(shù)(UHPC)分會秘書長。