Cement Concrete Res. ：通往可持续混凝土的路径

文献精读

Cement Concrete Res. ：通往可持续混凝土的路径

背景介绍

近几十年来，气候变化不断加剧，主要归因于人为二氧化碳排放和随之而来的全球变暖。过去5年是有记录以来最热的5年，与气候变化相关的风险更加严重，增长速度比预期更快。不断增加的灾害数量和严重程度造成了巨大的经济损失和人员伤亡。美国国家气候评估显示，到2100年，仅在美国，与气候相关的经济损失就可能达到国内生产总值的10%。另外，由于极地冰川融化导致的海平面上升，据估计，到本世纪末，海平面最高将上升2 m。冰川融化还将导致两极附近永久冻土中二氧化碳的释放。最近的研究估计，到2100年，冻土中储存的约50-150 Gt的有机碳可能以温室气体的形式释放出来。

2020年，全球气温比工业化前的水平高出约1℃。目前的趋势显示，全球气温在2030年至2052年之间可能上升1.5℃。联合国环境规划署《2019年排放差距报告》估计，在本世纪末气温至少将上升3℃。为了避免灾难性的经济、社会和环境后果，气候科学家建议温度上升必须控制在1.5℃之内。建筑行业2019年二氧化碳排放量达到了一个新高，约10 Gt/年。目前，建筑脱碳承诺不断增加，到2050年，所有新建筑、基础设施和翻新建筑实现净零隐含碳排放和净零运营碳排放。

联合国表示，世界人口在2019年年中达到77亿。全球人口预计将在2030年达到85亿，2050年达到97亿。预计到2050年城市比例将达到87%。而较不发达地区的特点是城市化速度强劲，在未来30年从50%上升到65%。

上述背景要求建筑业需要同时满足两种相斥的人类需要：保护环境和通过提供住房和基础设施来支持人口的增长。混凝土使用量巨大（估计每年超过100亿立方米，2019年，水泥产量为4.1亿吨）。据估计，混凝土生产的温室气体排放占总量的9%。如果混凝土工业是一个国家，它将是世界上第三大二氧化碳排放国（每年2.8亿吨），仅次于中国（10.18亿吨）和美国（5.29吨）（2019年数据）。考虑到熟料水泥比为0.70，估计水泥行业的能源消耗约为1.4×10^10 GJ/年，约占全球能源消耗的2-3%，超过2019年美国住宅行业的能源消耗。与混凝土生产有关的另一个重要问题是原材料的消耗：水泥的生产需要大量的天然材料（生产1吨熟料平均需要1.22吨石灰石和0.31吨粘土）；骨料的生产也消耗大量不可再生资源。在美国，每年约占开采砂石总量的46%（0.45 Gt）天然砂石被用作混凝土骨料。另外，混凝土生产也需要大量的水。2015年美国混凝土生产年用水量超过城市用水量。

研究出发点

为满足对建筑材料的需求和保护环境，提高混凝土和水泥材料的可持续性非常必要，这对学术和工业研究人员来说是一个重要和复杂的挑战。

全文速览

意大利贝加莫大学D.Coffetti课题组综述了提高混凝土可持续性的替代策略：首先考虑生产传统硅酸盐水泥（OPC）相对容易的最新技术，包括碳捕获、利用和存储技术（CCUS）以及使用辅助胶凝材料替代OPC；然后关注更复杂的过程，如用替代胶凝材料（非OPC熟料或碱活化材料）替代传统成分、回收骨料、使用非饮用水、高耐久性/高性能混合物；同时，还强调了升级现有标准的需要以及在良好实践的帮助下，促进设计师、研究人员和承包商的发展和传播的相关性；最后提出了一种新的砂浆和混凝土可持续性指数，修改了Empathetic Added可持续发展指数（EASI）。相关论文以“Pathways towards sustainable concrete”为题，于2022年发表在Cement and Concrete Research上。

图文解析

（1）可持续发展的具体策略

需要同时考虑可持续性以及混凝土耐久性和性能，减少二氧化碳的产生、能源的使用和天然原材料的消耗。在过去数年，可持续混凝土的发展取得了一些进展，从替代成分（胶凝材料、骨料和水）的使用到创新的外加剂以及能够提高性能、延长使用寿命和/或减少水泥混合料对环境的影响的技术。

1）提高水泥厂的效率

生产OPC需要燃烧石灰石和粘土，煅烧熟料（每吨约排放520 kg二氧化碳）和燃烧燃料（每吨约排放350 kg二氧化碳)，会释放大量的二氧化碳。替代燃料的使用、能源效率的提高等措施无法减少碳酸钙分解释放的二氧化碳。要对水泥生产的环境问题进行全面的研究，需要采用以下策略：采用最新的技术提高水泥厂的效率，例如干法工艺；为水泥厂配备现代化的预煅烧炉、新型熟料冷却系统和立式辊磨机，确保了热效率和电效率的提高；在不改变生产工艺的情况下，一些工业副产品和废料产生的材料在水泥生产中部分取代石灰石和粘土；使用替代燃料。

2）CCUS

CCUS尽管在经济上仍不可行（从大气中去除一吨二氧化碳成本约为100-300美元），但可真正减少二氧化碳量。最受争议的解决方案涉及到将捕获的二氧化碳储存到合适的地质储层中。目前，一种新的CCUS（图1），利用在原料混合物中捕获的二氧化碳来生产附加值商品，如工业和建筑用的材料和化学品，正在二氧化碳利用领域取得突破性进展。新技术基于二氧化碳的矿化：二氧化碳与富含碱金属或碱土金属的矿物质反应，通过释放能量的过程来减少二氧化碳形成碳酸盐。使用碱性工业废料产品进行二氧化碳矿化的可能性以及利用捕获的二氧化碳通过冷粘合工艺生产人造骨料的可能性已被证明。利用工业废料生产不同类型的碳酸骨料已经是一些初创公司的主要收入来源。目前，一些试点工厂，正在实施旨在捕获水泥生产中产生的二氧化碳的不同技术。最近估计，到2030-2050年，用于生产混凝土和骨料的二氧化碳矿化每年可去除0.3-3.6 Gt的二氧化碳。

图1 新的CCUS

3）作为部分替代OPC的辅助胶凝材料（SCM）

用低隐含碳和低能材料部分替代OPC可显著降低其对环境影响，从而降低混凝土的整体环境影响（图2）。水泥胶结因子(k)用于评价作为OPC替代材料的SCM在混凝土中的结合力。SCM大多来源于工业废料，主要由非晶态的铝硅酸盐组成，利用填料效应和火山灰反应替代OPC熟料，提高混凝土的流变性、力学性能和耐久性。混凝土中使用SCM的另一个优点是对工业副产品进行废物利用。2017年，在欧洲，约23%的熟料被SCM取代，预计到2050年，这一数字将增长35%。目前，现行标准对水泥的最低熟料含量和化学成分的要求、新型SCM对混凝土长期耐久性数据的不足、SCM理化性质的高变异性等限制了其在混凝土中使用。

图2 传统胶凝材料和SCM的隐含碳排放和隐含能源消耗量

此外，非硅酸盐替代熟料、碱激发胶凝材料、回收及人工骨料、非饮用水、创新性外加剂、高性能混凝土等均被大量研究，促进可持续混凝土的发展。

（2）教育和标准

广泛的水泥化学知识，结合高科技外加剂和添加剂，使混凝土性能得到改善。尽管目前在水泥、骨料、填料和化学外加剂方面取得了进展，但目前的设计标准主要是指传统混凝土，而没有考虑到新的成分，如纤维和替代骨料、自密实混凝土和超高性能混凝土、有关骨料的规定经常强烈限制使用天然砂和砾石以外的材料等。对于性能标准的开发者来说，最大的挑战是找到能够正确评估各种胶凝材料系统性能的测试方法，如果使用为OPC开发的传统技术进行研究，通常会出现结果扭曲的情况。此外，工程师、建筑师、建筑承包商和最终用户的教育应支持创新建筑材料的可持续发展。政府和立法者应该引导过渡到适当使用可持续建筑材料，既要对新材料开放最新的标准和规范，也要有奖励绿色材料和惩罚非环境友好材料的激励/税收。

（3）可持续性评价

可持续性指标可分为两类:第一代和第二代指标。前者非常简单，将抗压强度作为结构混凝土的主要性能参数，通过测量砂浆和混凝土为达到1 MPa强度所使用的胶凝材料总量或排放的二氧化碳量来评价砂浆和混凝土的环境足迹。后者考虑了不同的参数，但其较为复杂。新提出的Empathetic Added可持续发展指数（EASI）不仅考虑了砂浆和混凝土对环境的影响，还考虑了根据具体应用所需的耐久性和工程性能，但不适用于使用从回收的工业副产品中提取的二氧化碳捕获水泥和/或二氧化碳制作骨料的负碳足迹的砂浆和混凝土。因此，本文提出了修正的EASI，可用于评估使用负碳足迹材料制造的砂浆和混凝土的可持续性。

总结

本文综述了提高混凝土可持续性的广泛替代策略：首先考虑在传统硅酸盐水泥（OPC）生产中相对容易应用的最新技术，包括碳捕获、利用和存储技术（CCUS）以及使用辅助胶凝材料（SCM）替代OPC技术；然后关注更复杂的过程，如用替代胶凝材料（非OPC熟料或碱活化材料）替代传统成分、回收骨料、使用非饮用水、高耐久性/高性能混合物。

迄今为止，唯一能够在全球范围内减轻混凝土对环境影响的真正战略是利用CCUS技术来消除OPC生产过程中产生的二氧化碳排放，同时，还需要制造人工骨料和SCM。对于SCM，除已经在用的，还可通过降低熟料系数来进一步减轻混凝土对环境的影响。此外，使用外加剂和相关技术增加钢筋混凝土结构的使用寿命当然是必要的，但不能单独解决可持续性问题。

本文还强调了修订和升级现有标准和规范的必要性，以及改进对设计师、研究人员和承包商教育的相关性，以便分享所获得的关于混凝土最新技术及其现场良好实践的知识。本文提出了一种新的M-EASI指数，能够评估使用负碳足迹材料制造的砂浆和混凝土的可持续性，以帮助建筑行业的利益相关者选择更环保的建筑材料。

文献链接：

https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2022.106718