全国政协委员、武汉理工大学材料学科首席教授胡曙光——混凝土碳减排技术路径

  “双碳”已成为国家战略的发展目标。以水泥混凝土为代表的建筑材料作为世界上最大宗的人工制备材料，在为人类社会发展作出重要贡献的同时，也产生了巨量碳排放污染的问题。如何科学研发和有效应用碳减排技术，是我们当前面临的一项紧迫而艰巨的任务。  

  本次研讨会的主题是“建材建筑协同碳达峰”，把建材和建筑这两者联系起来是非常好的立意。建材与建筑虽分属于不同的领域，但它们具有紧密的相关性。从建筑物全生命周期的碳足迹来看（此处不包含以建筑非结构性使用功能为主的碳排放，比如供暖和空调系统耗能所产生的碳排放），建筑材料自身带有，生产过程产生，材料的组成、结构与性能，建筑物的使用质量等相互衔接、密不可分，并形成目标产品的总碳排放量和评价。因此，创建最优化系统性的建材建筑低碳设计方法及其评估评价体系，选用统筹协调的碳减排技术方案，将会获得最佳碳减排绩效。  

  在建材行业中，水泥生产提供了80%以上的碳排量，而水泥碳排放又转手带给了混凝土。据统计，混凝CO₂排放量占到总排放量的14.5%以上。因此低碳混凝土技术的研发和应用，对“双碳”目标的实现具有举足轻重的作用。  

  低碳混凝土技术的概念  

  首先，我们给出“低碳混凝土技术”的定义，它是指在混凝土生产、使用过程中，采用新的技术方法与已有通用技术相比，能够直接或间接降低碳排放的技术。其次，我们要知道混凝土的碳排放是从哪来的。研究表明，从生产的角度，混凝土的碳排放包括：原材料生产燃料动力带入、混凝土生产过程动力产生、混凝土运输过程燃油产生。研究显示，混凝土碳排放量的90%以上来自于原料带入，主要是水泥。从使用的角度，混凝土的质量决定其使用效能和寿命，建筑产品和工程的使用周期越长，其碳排量的单位分摊则越低。  

  低碳水泥技术的研发与应用  

  混凝土碳排量的90%以上来源于水泥，这说明低碳水泥对于建筑碳减排的极端重要性。水泥工业已开展了卓有成效的碳减排工作，并初步形成低碳水泥技术研发和生产技术应用的发展方向，提出了完成“双碳”任务的时间表和路线图。近几年，武汉理工大学硅酸盐建筑材料国家重点实验室将此作为主攻方向，在国家相关部门争取到各类研发项目，并与生产企业联合攻关，取得一些理论创新和技术应用的成果，主要包括：  

  （1）创新基于大替代量非化石燃料和非碳钙质原料的水泥熟料烧成理论，研发与之相适应的烧成装备改进和系统稳控生产技术，开发非化石替代燃料实用技术。此项目与华新水泥等合作。  

  （2）开展水泥富氧燃烧技术中试，提高燃料的有效燃烧率，提高CO₂富集浓度，以便于收集利用。此项目与海螺水泥等合作。  

  （3）创新CO₂吸收矿化新材料体系理论，研发基于此的低碳矿物和碳矿化材料制品与结构，开发碳酸钙新材料体系，这是一项变革性的水泥碳减排技术。此项目与京博集团和中建材集团等合作。  

  （4）系统研发和加大工业固废在水泥生产和混凝土工程中的应用，创新固废粉体多重活化和多元复合理论与技术，提高固废的水化胶凝活性，增加混合材与矿物掺和料的掺用量，减少水泥熟料用量，开发非碳钙质固废作为水泥原料利用技术。此项目与武钢、鱼峰水泥、华润水泥、中建三局、西部建设、中铁大桥局集团、中交二航局集团等众多材料生产和建筑工程建设企业合作。  

  低碳混凝土的技术路线和研发应用  

  基于混凝土碳排放的构成，混凝土的碳减排技术路线应该很清晰，一是在混凝土中少用水泥，直接减少碳排放；二是提高混凝土的质量，使其具有好的性能和长寿命，间接减少碳排放。  

  1.混凝土中少用水泥技术  

  混凝土中少用水泥技术主要包括：（1）多用矿物掺和料替代水泥；（2）采用工业固废、尾矿、建筑垃圾替代骨料等原料；（3）采用可循环设计混凝土材料体系；（4）充分发挥胶凝材料的水化胶凝活性。  

  举例：C30混凝土配方常用P.O42.5水泥量为350kg/m³，P.O42.5水泥的CO₂排放量约为750kg/t.c，采用矿物掺和料150kg/m³的替代水泥的配方，可计算减少碳排量113kg/m³，减少幅度为43%。  

  2.提高混凝土质量技术  

  此处所指为广义混凝土质量，包括混凝土的物理化学性能、力学性能、耐久性和寿命等。提高混凝土质量技术包括：（1）研发应用最优化的混凝土配方设计；（2）形成最佳混凝土结构与性能；（3）采用高技术混凝土（高性能混凝土、超高性能混凝土、复合结构混凝土等）技术。  

  比如说，现有混凝土配料设计较粗放，并没有达到原料组成与结构的最优化，一方面造成材料浪费，如普遍存在的多用高碳排放水泥；另一方面混凝土结构较易形成内部孔隙等缺陷，造成耐久性能劣化。又比如，混凝土建筑的使用寿命若从50年提升至100年，则使碳排量减摊一半。  

  推进低碳混凝土技术的5点建议  

  1.修改、完善现有不利于低碳混凝土的标准规范，如：取消一些对材料用量的非理性限定，降低对一些结构的早期强度不必要的要求等，以合理降低水泥的用量，提高水泥的利用率。又比如，对水泥中混合材和混凝土中掺和料的共同使用混乱问题，应建立更明确清晰的分类与划分标准，以避免混凝土设计时对材料成分不清而造成浪费或影响质量。  

  2.研发更为科学合理的混凝土配比设计方法，推进混凝土设计从经验粗放式向智能精准化转变，以提升混凝土颗粒堆积的密实度，减少水泥用量，提高混凝土质量。  

  3.将替代原材料、再生混凝土纳入“低碳混凝土”体系，在有关混凝土材料生产碳排放计算和评价方法中予以明确，以鼓励和推进相关碳减排技术的应用。  

  4.推进低碳混凝土变革性技术研发工作，开发绿色低碳先进水泥生产技术，开展混凝土可循环设计与制备技术，新型复合结构混凝土技术，实现节约资源和减少碳排放的目的。  

  5.加快推进水泥行业纳入全国碳排放注册登记和交易系统，以创造更好的工作条件，有利于增强碳汇，引导资金、技术和人才等资源要素流向绿色低碳发展领域，助推建材建筑行业碳减排。