编者按

作为最广泛使用的建筑材料，水泥和混凝土对环境的影响越来越被关注。水泥混凝土生产过程会排放大量的二氧化碳，但混凝土在使用过程又会吸收空气中的CO₂，这种双重作用被称为“海绵效应”，混凝土的减碳过程应该考虑这种“海绵效应”，但混凝土自然碳化所吸收的CO2仍然不能满足混凝土的减碳目标。因此，梳理水泥和混凝土行业的减碳策略，可以为水泥和混凝土行业的碳中和提供技术支撑。

1 引言

混凝土是迄今为止在建筑行业中最广泛使用的人造材料。作为现代工业化社会建设的重要组成材料，被广泛应用于各行各业。能源系统、供水和污水处理系统、高层建筑以及交通网络都依赖于混凝土。

水泥作为混凝土最重要的胶凝材料，其产量一直在增加，每年超过40亿吨的水泥被生产，但水泥生产过程会释放大量CO₂，由于生产规模庞大，水泥生产排放的CO₂直接占全球人为二氧化碳排放量的7-8%^[1]。据统计^[2-6]，在 2010 年全球建筑活动排放的7.7 Gt二氧化碳中，水泥占36%，钢材占25%，塑料占8%，铝<4%，砖<1%。可见，水泥生产对全球变暖的影响至关重要。从图1也可以发现，混凝土是建筑工程中碳排放量最大的材料，而在混凝土生产过程中，水泥的碳排放约占65%^[7]。水泥生产过程的碳排放主要来源于两方面：一方面，石灰石的分解会释放二氧化碳；另一方面，燃料燃烧会释放二氧化碳。研究表明^[8]，水泥窑中 CaCO₃向CaO的化学转化（即煅烧）导致的 CO₂排放比例高于燃料消耗排放的CO₂。

图1 水泥和混凝土生产对全球变暖的贡献^[7]

在中国，随着碳达峰、碳中和政策体系的完善，2021年10月26日国务院发布了《2030 年前碳达峰行动方案》，指出在推动建材行业碳达峰中，应该加快推进绿色建材产品的认证和应用推广，加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等可持续建材产品的研发应用。

混凝土作为世界上最大宗的建筑材料，更需要强调其低碳发展。混凝土欲实现低碳发展，必须减少混凝土全生命周期内的能源与资源消耗，减少其对环境的影响。水泥混凝土行业作为最大的CO₂排放行业之一，减少其全生命周期内每个环节的碳排放量，可显著推动混凝土的可持续发展，同时在国际低碳经济的大背景下，可持续混凝土的低碳发展是混凝土行业的重要方向。目前，围绕低碳混凝土国内外相关学者也做了大量研究，但其实践应用方面仍任重而道远。因此，梳理水泥和混凝土行业的减碳途径，对实现我国“双碳”目标意义重大。

2 混凝土的“海绵效应”

整个水泥周期（从生产、使用到使用寿命结束）排放和吸收 CO₂的这种双重作用称为“海绵效应”。混凝土吸收二氧化碳的过程也称为混凝土的自然碳化过程，是指水泥中的含钙相，如水化硅酸钙、水化铝酸钙、氢氧化钙等，与CO₂反应，生成碳酸钙和其他非碳化相的过程，反应在暴露于空气中的表面进行，随着CO₂的扩散逐渐缓慢地进入混凝土内部。尽管碳化会使混凝土劣化，但混凝土作为二氧化碳汇集的载体具有很大的潜力。有研究表明^[9]，从1930年到2013年，水泥生产过程中近一半的碳排放可能已被水泥及相关材料封存。因此，在混凝土长期减碳策略中必须考虑将水泥以及相关的材料（如砂浆和混凝土）作为重要的CO₂汇载体。

图2展示了 2014 年全球水泥循环和相关的二氧化碳净排放平衡示意图^[8]。2014 年生产了4.2 Gt 的水泥和 0.2 Gt的水泥窑灰 (CKD)。2014 年的水泥库存总计约75 Gt，几乎平均分配给住宅、非-住宅和土木工程部门，每个部门约25 Gt。而2014年仅产生了0.5 Gt的拆迁水泥建筑废物。回收水泥基材料面临的挑战导致几乎所有 (99.1%) 拆迁的水泥基材料被掩埋在垃圾填埋场中，或作为回填物和骨料的一部分路基。据统计^[8]，2014 年全球水泥循环产生了3.0 Gt的CO₂排放量和0.6 Gt的CO₂吸收量，提供了2.4 Gt CO₂排放量的净平衡。2014 年水泥生产及上游过程排放的CO₂总量中，58.4%来自碳酸盐煅烧，32.9%来自燃料燃烧，8.6% 来自发电间接排放。结果表明，2014 年大部分CO₂吸收（约 80%）发生在建筑物和基础设施中，CKD、建筑垃圾和拆除垃圾CO₂吸收总量约占20%。未来二氧化碳排放和吸收的路径取决于水泥库存的动态和新建筑的材料效率。

因此，旨在使水泥行业减碳的政策或举措都必须考虑“海绵效应”，但仅考虑二氧化碳的被动吸收以实现当代气候变化的目标，仍极具挑战性。

图2 2014 年全球水泥循环和相关的二氧化碳净排放平衡^[8]

3 水泥和混凝土的减碳策略

混凝土的碳排放涉及其整个生命周期，需对各个环节进行控制，从LCA视角来采取行动以降低总体的碳排放：降低混凝土生产过程的CO₂排放，降低能源消耗，减少水泥用量，发展替代胶凝材料；提高混凝土耐久性，延长使用寿命，降低维修重建的需要；减少废弃物的产生，充分利用建筑垃圾，发展再生骨料。没有单一的措施可以实现减排的目标，只有各方面共同努力，控制质量，提高效率，才能实现低碳。

3.1 低碳胶凝材料技术

3.1.1 水泥清洁生产技术

水泥生产过程中的碳排放主要在于消耗电能、消耗燃煤和消耗石灰石。目前，水泥清洁生产方面主要通过改进水泥窑、提高粉磨效率、利用余热和清洁电能，使用清洁燃料和废弃物燃料等方法来降低生产能耗，提高能源利用效率^[10]。

3.1.2 水泥组分优化技术

水泥组分优化技术包括直接优化和间接优化。直接优化时将其他低碳原料代替石灰石等天然原料用于水泥生产，如城市垃圾、工业固体废弃物、建筑垃圾等[11]。间接优化是将粉煤灰、矿渣、火山灰等工业废渣作为混合材用于水泥生产，也称作辅助胶凝材料。利用辅助胶凝材料（SCM）代替水泥熟料是大规模降低水泥碳排放的有效途径之一。

3.1.3 替代胶凝材料

碱激发胶凝材料是在铝硅酸盐材料，如粉煤灰，与碱性激发剂，如硅酸钠，之间反应，形成硅酸盐和铝酸盐的聚合物。近年来碱激发胶凝材料作为硅酸盐水泥的替代胶凝材料被广泛讨论。碱激发混凝土使用碱激发胶凝材料，可以在生产中集合高碱含量的固体废弃物。在有充足的适宜激发剂和激发材料的地区，以预制或预拌的形式在经济性上和技术上是可行的。但是，有效的碱性激发剂的可获取性成为了碱激发胶凝材料应用的限制。事实上，从世界范围来看，目前生产的硅酸钠不足以代替硅酸盐水泥产量的0.1%^[12]。

活性贝利特硅酸盐水泥（RBPC）主要矿物成分为C₂S，其次为C₃S。与OPC相比，这两种矿物成分的比例变化代表了生产能耗的降低以及由此排放的CO₂的减少，同时煅烧过程所排放的CO₂也有所减少。据估算，能耗能降低14%，煅烧过程排放的CO₂可减少6%。

以硫铝酸钙和硅酸二钙为主要矿物的贝利特硫铝酸盐水泥是目前研究较为活跃的替代胶凝材料之一。通常采用石灰石、矾土和石膏为原料，在1250-1350℃下煅烧成熟料，比普通硅酸盐水泥熟料的烧成温度低100-150℃，因此，与普通硅酸盐水泥相比，可以降低生产能耗27-37%，煅烧过程排放的CO₂减少18-48%。

CO2激发胶凝材料的主要矿物为硅灰石（CS）。硅灰石资源较为丰富，但分布很不均匀，主要分布在亚洲的中国和印度和美洲的墨西哥、美国等国家。也可以采用硅质岩石和石灰石生产硅灰石，生产能耗比OPC降低54%，煅烧过程排放CO₂减少26%。

MgO基胶凝材料主要采用两种原材料生产MgO。一种为镁橄榄石，用于生产MOMS水泥熟料，另一种为菱镁矿，用于生产MOMC水泥熟料。镁橄榄石分布广泛，但目前没有技术可有效将其转化为MgO。MOMS的生产能耗比OPC降低56%且煅烧过程不会排放CO₂。

3.2 低碳骨料技术

骨料是混凝土中比例最大的组分，占混凝土体积的70%左右。同时，骨料也是混凝土中最为稳定的组分，适当增大骨料比例，可减少胶凝材料用量，符合低碳混凝土技术原则。我国混凝土产量和用量巨大，对自然资源的消耗量也巨大，生产混凝土所用的天然骨料储量大大减少，可用的天然骨料的品质也有所降低，使用替代骨料是实现低碳混凝土的必然途径。以天然岩石或其他材料为原材料经过机械加工制备的机制砂石骨料替代天然骨料近年来得到了推广使用^{[13, 14]}。废弃混凝土经过清洗、破碎、分级后按照一定比例配合制得的再生骨料也是实现低碳混凝土的有效途径^[15]。但再生骨料相对天然骨料，其品质差异很大^[16]。因此，研究解决再生骨料的品质控制是低碳混凝土发展的关键技术之一^{[17, 18]}。

3.3 低碳混凝土施工技术

低碳混凝土施工重点在于提高施工效率。在混凝土施工活动中产生的废弃材料约为用于建筑中的混凝土体量的50-100%，当采用现场拌制时，这个比例会更高。更好的设计和现场的管理对于减少废弃物非常重要，也是相对可以直接施行的。施工阶段的管理，如拆模前的养护期长短，也会影响效率，对混凝土生产所需的水泥的量也会造成显著的改变。此外，更好的控制施工和养护期的用水量对结构物的强度、耐久性和安全具有关键影响。

3D打印技术作为一种新的施工技术，近年来受到广泛关注^[19]。3D打印技术不需要人力施工和模板，因此更为经济和低碳。但在实际施工中推广应用还面临着很多问题。例如目前的技术一般使用砂浆作为打印材料，混凝土配比中不能使用粗骨料以免堵管，同时在进料和成型方面也存在困难。其他问题还包括有密实、层间结合、孔隙率、以及打印材料的耐久性问题^[20-22]。

3.4 混凝土耐久性提升技术

延长混凝土的服役寿命也可以达到低碳的目的。混凝土的耐久性主要与钢筋锈蚀有关，而抗锈蚀性能则主要取决于混凝土保护层的抗渗性和钢筋的抗锈蚀性。长寿命混凝土相比于传统混凝土，具有自增强、自防护和自修复的特点，从而增进服役性能的提升、延缓服役性能的退化并促进服役性能的恢复。可通过对混凝土配合比进行优化设计、提高混凝土密实度、增强材料改性以及优化孔结构等技术实现自增强。自防护主要体现在混凝土材料的自我防护和钢筋的自防护方面。混凝土的自我防护技术主要在于配合比优化、外加剂和外防护，而钢筋自防护主要在于钢筋的防锈蚀。如使用不锈钢钢筋，不锈钢钢筋的防锈蚀性和防氯离子侵蚀性分别比传统的钢筋高800-1500倍和4-24倍^{[23, 24]}，虽然不锈钢钢筋的成本要高6-10倍，但从长期效应来看，可以极大地降低成本。利用海洋生物提取物制备钢筋阻锈剂、对阻锈剂进行接枝、采用迁移型阻锈剂等方法对钢筋进行防护^[25-27]。另外，使用玻璃纤维聚合物增强筋（GFRP）代替钢筋也是自防护的一种方式。自修复技术也是一种混凝土耐久性提升技术,自修复技术主要是使用水泥基材料修复裂缝，目前研究主要集中在通过矿物外加剂、微生物和聚合物胶粘剂实现自修复^[28-31]。有研究表明^[32]，超高性能混凝土的革新可以延长基础设施的服务寿命，减少50%与传统结构修复有关的碳排放。混凝土结构使用寿命每提高50%，可降低约14%的碳排放。

4 结语

水泥混凝土像海绵一样在全球碳循环中扮演着双重角色：水泥混凝土的生产排放了大量的二氧化碳，但其含钙相会重新吸收大量大气中的二氧化碳（自然碳化）。未来将混凝土作为碳汇的载体对混凝土的减碳非常重要。但要实现混凝土的低碳发展，仍需要从原材料、施工过程、服役及再生利用等多方面共同推进。降低排放和CO₂利用齐头并进，不管是通过采用新技术还是严格的管理控制，对于达到混凝土的碳中和都是至关重要的。基于混凝土庞大的体量，混凝土生产效率的提高，如优化混凝土组分、使用辅助胶凝材料、提高施工效率，会对混凝土的低碳减排产生重大影响。另外，加速混凝土产品的碳捕集，对于保证混凝土结构的可持续性也是必不可少的，同时有利于推进水泥和混凝土行业的碳中和。

参考文献

[1] Krausmann, F., Lauk, C., Haas, W. &Wiedenhofer, D. From resource extraction to outflows of wastes and emissions:The socioeconomic metabolism of the global economy, 1900–2015. Glob. Environ.Chang. 52, 131–140 (2018).

[2] Bajželj, B., Allwood, J. M. & Cullen, J. M.Designing climate change mitigation plans that add up. Environ. Sci. Technol.47, 8062–8069 (2013).

[3] Cullen, J. M., Allwood, J. M. & Bambach, M.D. Mapping the global flow of steel: from steelmaking to end-use goods.Environ. Sci. Technol. 46, 13048–13055 (2012).