高性能混凝土的低碳化技术讨论(1)概要.docx

综述评论 Beton Chinese EditionReady-mixed Concrete 2010 年第 9 期-20-1前言随着全球工业的迅猛发展和人类对化石燃料的依赖,CO 2的排放量日益增加，而大气中CO 2含量增加造成的温室效应是造成全球气候变 暖的主要原因，气候变暖导致严重的环境和生态危机已成为人类面临的最大挑战之 -o近几十年来,我国的经济建设对资源和能源的需求大幅度增长，能源的快速消耗 使我国面临着严重的能源危机lo既要保证社会经济的不断发展，又要保护人类赖以生存的环境,协调、解决这一 尖锐矛盾的唯一出路就是低碳经济2,2003年，英国在能源白皮书我们能源的未来: 创建低碳经济中最早提出“低碳经济”这一概念，随后迅速为很多国家所采纳，成为一种新型的可持续发展模式3，哥本哈根会议的召开再次使低碳经济成为全球瞩目的焦点。目前，我国已经提 出了控制温室气体排放的行动目标，到2020年，单位GDP的CO 2排放量比2005年 下降 40%45%4。庄贵阳认为，低碳经济的实质是能源效率和清洁能源结构问题,核心是能源技 术创新和制度创新,目标是减缓气候变化和促进人类的可持续发展。低碳技术是发 展低碳经济的重要支撑，广泛涉及石油、化工、交通、建筑等多个领域。混凝土低 碳化是指在水泥和混凝土材料生产和应用上研发低碳排放技术，积极推动建材行业 经济的发展。一方面，水泥工业是CO 2排放的主要来源,降低水泥工业CO 2排放是 实现减排的重点之一；另一方面,对水泥的生料和混合材进行优化、开发新型水泥品 种、减少混凝土中水泥用量，即可达到显著的减排效果，而且水泥混凝土工业的减排 又能促成一些工业固体废弃物的综合利用，是建筑业节能减排的具有很好社会效益 的刘寿绵，艾军.水泥行业低碳化生产方法和设想IJ.中国11水泥.2010(2:56-57.姚燕.低碳经济时代水泥混凝土行业发展方向R.商品混12凝土.2010(4:1-3.P.Ku m m a r Mehta. Greening of the Concrete13 Industry for Sustainable DevelopmentJ. Concrete international.2002(7:23-27.李庆刚.生态混凝土的研究现状与发展趋势J.山西建14 X 2007,33(4:183-184.沈卫国等.抛填骨料混凝土是实现水泥混凝土低碳排放|15|的途径之一途.新世纪水泥导报.2009(3:3033.P .Kumar Mehta.Reducing the Environmental Impact of16 Concrete. Concrete internationaL2001 (10:61-65.康明等.混凝土循环利用及其 对环境影响的初探IJL建筑17材料学报.2000,3,(4:376-380.申文胜，崔金平，孙慧.低碳混凝土在高速公路工程中的H8应用JL商品混凝土.2009(11:26-29作者简介王宝民，男,副教授，工学博士， 主要从事新型建筑材料的教学与研究工作。单位地址辽宁省大连市凌工路2号(116024高性能混凝土的低碳化技术讨论王宝民，刘伟(大连理工大学土木工程学院，辽宁大连116024【摘要I本文从混凝土生命过程角度分析了 CO 2排放的来源，阐述了水泥混凝土 行业发展低碳经济的必要性，探讨了水泥生产和混凝土生产及应用领域实现低碳化 的有效途径,为我国混凝土产业从高碳走向低碳，实现科技创新提供参考。关键词 温室效应;高性能混凝土;低碳化:混凝土生命过程Discussion of low-carbon technology of high performance concreteWang Baomin , Liu Wei(Faculty of Infrastructure Engineering, Da lian University of Technology ,Dalian 116024Abstract: This paper analyzed the source of CO 2 from the point of the life of concrete, introduced the necessity of develop concrete industry, discussed the effective ways to achieve low-carbon technology, pointed the concrete industry ways in which they can achieve technological innovation and run from high carbon to low carbon.Key words: green house effect; low carbonization; high performance concrete; life process of concrete途径。高性能混凝土是具备绿色建材基本要素的建筑材料。冯乃谦认为高性能混 凝土应同时具有高耐久性和高强度。通过研究高性能混凝土的低碳化技术,能够更 好地体现高性能混凝土的环境共融性，为高性能混凝土向绿色化发展提供依据，对混 凝土的可持续发展具有深远的意义。2混凝土生命过程的碳排放混凝土生命过程是指混凝土从设计（主要指原材料组成、生产、浇筑、使用直 至破坏失效的整个过程。作为一种用量最大的结构工程材料，水泥从原燃料开采，到 水泥生产、水泥应用（混凝土拌合与施工等、混凝土服役过程到废弃混凝土的处置 过程,以及这些过程的运输和储存等环节都会产生不容忽视的CO 2排放。水泥混凝 土的生命过程如图1所示：2.1水泥生产水泥被誉为“建筑工业的粮食”，是混凝土的主要组成材料。水泥工业中CO 2排 放来自两个部分:一部分作为原料石灰石的排放;另一部分作为燃料的煤的燃烧释 放。据统计,2009年我国的水泥产量达到16.3亿吨;原煤产量达到29.6亿吨,燃烧所 排放的CO 2为77.5亿吨,其中水泥生产能耗约1.8亿吨煤，占全国总能耗消耗的 6.6%,CO 2排放总量为13.8亿吨,占当年全国水泥总排放量的26.1%。水泥在生产过程中，资源和能源消耗量大,对环境的污染严重。1吨水泥熟料平 均含有CaO约650公斤,按此计算由生料中的CaCO 3排出CO 2 511kg ;燃料燃烧排 放出的CO 2 500kg左右，则总排放量就达It左右,CO 2是产生“温室效应”的源头，2010 年第 9 期 Bcton Chinese EditionReady-mixed Concrete 综述评论-2b而据统计水泥的CO 2排放量占全球CO 2总排放量的1/10左右7o随着国民经济的快速发展，水泥的需求量还在大幅上升。据预测2010年我国水 泥工业资源消耗及排污数量如表1所示【8:表1 2010年我国水泥工业资源消耗及排污数量预测耗能排污量标准煤（万吨耗电量（百万千瓦时石灰石（万吨粉尘（万吨CO 2（万吨SO 2（万吨NOx（万吨 1109480018.46100.784 1.6002.2原材料运输及商品混凝土运输过程中排放的CO 2材料生产过程中的运输距离以5km计，混凝土生产过程中原材料在运输过程中 的运输距离以30km计，则每年由汽车运输排出的CO 2也是不容忽视的，增加运输距 离对碳排放的提高是非常明显的9。2.3混凝土生产电耗据计算，生产1m 3混凝土所需的电耗约为2kWh,而我国年生产混凝土近30亿 m3,生产1度电消耗标准煤约0.4kg,那么每年由此而排出的CO 2量是相当惊人 的。3混凝土的低碳化技术讨论3.1 水泥生产领域如何实现水泥工业的低资源消耗、减少CO 2、废气和粉尘排放,已成为迫切需 解决的问题。实现水泥的低碳化,主要措施有以下几个途径。3.1.1 水泥生产工艺的改进虽然陈超10认为水泥生产工艺改进引起的CO 2和粉尘减排不能平衡由水泥 产量增加导致的污染排放增长，但通过改造水泥窑炉和粉磨设备的设计，提高燃烧和 粉磨效率，开发CO 2分离、捕获及转化技术，仍能在相当程度上提高CO 2减排效 率。3.1.2 加强各种低碳排放胶凝材料的研究与开发1957年，乌克兰基辅建筑科技大学研制出一种碱激发水泥,它是利用高浓度碱或 碱金属硅酸盐和碳酸盐矿渣粉等制备出一系列胶凝材料。它具有节能和低碳排放、 早强高强、强度增长持续、高抗渗性、低水化热等优点，但其目前仍存在凝结过 快、泛碱、粉化、强度变异过大，收缩开裂严重等缺点,还需要进行更深入的研究。J.Harrison发明的活性氧化镁水泥也是一种低CO 2排放水泥，这种水泥中活性 MgO水化形成纤维状和层状结构的Mg(OH2,对水泥强度形成十分有利,尽管从 MgCO 3到MgO过程中排放了 CO 2,但是其碳化过程起到了固定CO 2的作用，与硅 酸盐水泥不同的是这种碳化作用提高了其服役性能而不是图1水泥混凝土生命过程水泥劣化的标志，其co 2排放过程是可逆的9。在研究开发新型胶凝材料方面，可浇筑、高耐久高强石膏是目前国际上建筑材 料研究的热点和方向，普通水泥混凝土在废弃后难以回收利用，而可浇筑、高耐久高 强石膏的生产，基本不排放CO 2,废弃的石膏经简单加工后还可重复使用,目前国际 上研究的高强石膏强度已超过60MPa,并具有抗侵蚀、耐气候等良好的耐久性能。此外，还有很多学者提出研发低钙水泥等水泥新品种以及利用多品种混合材生 产多品种多等级水泥等措施来达到减排的目的,这对于CO 2减排会有一定的作用， 但就我国目前的情况而言，在一段时间内普通硅酸盐水泥仍将是水泥品种的主流，上 述措施受原料条件、市场等因素的影响会有较大的局限性11。研究开发高 强、高性能水泥熟料熟料的烧成是水泥制造中碳减排的关键，与发达国家相比,我国在高效利用水泥 熟料、减少熟料烧失量方面还存在一定差距，需加大研究力度,开发和推广新型高标 号熟料、高活性熟料,减少熟料用量，达到减排的目的。发展综合利用和协同处 理技术研究水泥窑炉综合利用和协同处理废弃物关键技术和设备，也是低碳化的一种 途径。同时粉煤灰、火山灰、矿渣、硅灰、沸石粉作为水泥的原材料或混合材已有 较多的成果，应按工程特点扩大用量。3.1.5 工业废渣高压聚合技术此技术通过对工业废渣适当组合能在高压下发生聚合，获得非常高的强度，从而 有效地降低水泥的用量。研究更高压力下各种废渣有效组合制备高强制品，是建材 行业最有效的一种低碳技术，同时为工业废渣利用提供了一种途径。开发应用 替代原、燃料技术采用低化石燃料替代传统燃料、用非碳酸盐钙质原料替代石灰石，如在水泥制 造领域，利用粉煤灰、煤砰石、电石渣、各种尾矿渣、废石膏9等替代部分石灰石 原料以及利用经过适当处理的工业废渣替代水泥熟料,减少生产中CO 2直接排放； 利用废轮胎、废油泥、废塑料等可燃废弃物替代燃料,这方面我国具有很大发展潜 力。3.2 混凝土生产与应用领域低碳化技术水泥工业的CO 2排放量占人类活动碳排放量的5%10%,因此,降低水泥生命 周期内CO 2排放量是综合降低混凝土生产与应用领域CO 2排放的基础。3.2.1 研究减少混凝土中水泥用量的技术以粉煤灰等废弃资源代替部分水泥，使混凝土中的水泥量大大降低。如国外已 研究出大体积粉煤灰高性能混凝土（HVFA,且强度、干燥收缩、耐久性等表现良好, 它最多含50%60%的粉煤灰113。这种新型混凝土中，水泥的用量大为减少,其减排 潜力巨大。3.2.2 开发研究新型混凝土外加剂广州三骏建材科技有限公司研究出的CTF混凝土增效剂，在掺量仅为胶凝材料 0.6%的情况下，可降低水泥用量10 15%,且混凝土和易性、抗泌水、抗离析及抗冻 性均得到明显提高。在提高水泥性能方面，我国一直都在研究利用外加剂来增加混 凝土的寿命和耐腐蚀性，不过对于庞大的中国建筑工程量来说，这种“减碳”措施所取 得的效果还远远不够。再生骨料生产可再生混凝土综述评论 Bcton Chinese EditionReady-mixed Concrete 2010 年第 9 期-22-日本小野田水泥公司利用城市垃圾焚烧灰和下水道污泥为主要原料（原料中 70%为废弃物，其中城市垃圾灰占40%50%,另补充石灰石原料20%30%生产出高 强度水泥，并利用再生水泥制备混凝土。此外，日本将再生骨料以不同比例取代石灰 石骨料配制混凝土，取得很好的成效。德国对再生骨料的分类处理口4见图2所示。图2德国再生骨料的分类处理3.2.4 混凝土施工工艺沈卫国等15针对混凝土中浆体过多，粗集料不足的现状，发明了一种名为抛填 骨料法的混凝土施工工艺，该工艺已获国家知识产权局授予的发明专利，这种施工工 艺在保证原混凝土拌合物的工作性的同时，还能大幅度提升混凝土的强度和耐久性 能，显著节省了混凝土的材料费用,减少了 CO 2的排放，实现了混凝土的绿色高性能 化。Mehta和Langley 16描述了一种无裂缝的整体浇灌混凝土基础，设计寿命至少 为100年。康明等117指出运用混凝土循环设计思想，采用合适的配合比和适当工艺，可基 本实现生态环境混凝土和生态环境水泥的闭合循环，且测试表明，其强度等各方面性 能可完全满足建筑要求。3.2.5 提高混凝土耐久性我国每年有近30亿立方米混凝土用于基础设施和重大工程建设，因此，想方设法 延长混凝土的使用寿命，就是很好的低碳经济的措施。传统的混凝土，由于各方面原 因，其寿命一般只有30年,而高性能混凝土的使用寿命可达到100年，因此，高性能混 凝土通过大幅度提高混凝土的耐久性.延长结构物的使用寿命,大大地减少了工程的 维修和重建费用。此外，耐久性的提高还节省了用于生产混凝土的各种原材料以及 开采、加工等能源消耗，显然这对混凝土实现绿色生态化做出了巨大的贡献。由此 可见,要实现混凝土低碳化的根本在于提高混凝土的耐久性。利用矿物掺合料的耐 久效应，提高混凝土的耐久性,实现高性能混凝土的可持续发展。研发生产低碳 混凝土爱尔兰17个主要混凝土制造商曾联合推出过一款“超低碳混凝土”，用一种“绿 色水泥”制造，它能够减少新建筑碳排放量的25%。通过使用该低碳混凝土,建筑业 每年将能够少排放超过200万吨的二氧化碳，而这也相当于一年减少了 50多万辆汽 车在道路上行驶。申文胜等18通过使用工业副产品ECM水泥（一种低碳水泥替代 普通水泥，生产出的低碳混凝土,可降低40%CO 2的排放量。4结论通过对水泥混凝土产业低碳化技术的讨论，水泥混凝土产业走低碳经济发展之 路,是解决资源、能源、环境和污染物排放问题，提高整体竞争力的必然选择,而加快 科技创新则是推动低碳经济发展的关键。因此针对水泥混凝土产业自身特点，建材 行业应大力推进科技创新,明确创新目标和重点，依靠科技创新,支撑水泥混凝土产业 从高碳走向低碳，实现可持续发展,为国民经济建设和低碳经济的发展做出应有的贡 献。参考文献黄冠群.高性能混凝土生产过程环境协调性研究D.广HI西大学硕士学位论文.2008.何建坤.发展低碳经济，关键在与低碳技术创新J 绿叶.2 2009(4:46-49.陈扬.发达国家低碳经济发展战略走向及思考1儿全球科技经济瞭望.2010,25(2:32-35.申宝宏,赵路正.高碳能源低碳化利用途径分析 J.中国4能源.2010,32(1:10-12.庄贵阳.中国经济低碳发展的途径与潜力分析JL国际技5术经济研究.2005,8,(3:8/1.冯乃谦，邢锋.高性能混凝土技术M.北京:原子能出版6社,2000.宋志平.水泥行业需积极适应低碳化时代要求R.中国水7泥.2010.王宝民，王立久.混凝土生命过程与环境共融性J.混凝8 ±.2002(11:9-10.沈卫国，蔡智，刘志民等.浅谈水泥混凝土工业低二氧化9碳排放技术J.新世纪水泥导报.2008(4:1 -5.陈超等.中国水泥生产的物质消耗和环境排放分析J.安110徽农业科学.2007,35(28:8986-8989.