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低碳混凝土的“双碳”使命——推动“低碳混凝土”发展专家座谈会侧记
时间:2021-11-10    来源:张红 师海霞    分享:
11月4日,中国混凝土与水泥制品协会预拌混凝土分会与国建联信认证中心共同组织了“低碳混凝土”专家座谈会,座谈会采取线上线下结合的方式进行。会议围绕“什么是低碳混凝土?”“如何界定新型胶凝材料及其应用领域?”“新型胶凝材料解决什么问题?”等展开了热烈而广泛的讨论。

何为“低碳混凝土”?如何界定“低碳混凝土”?“低碳混凝土”的深刻内涵是什么?我国“低碳混凝土”发展现状如何?如何加快发展的“低碳混凝土”?面对这些前沿而重要的话题,11月4日,中国混凝土与水泥制品协会预拌混凝土分会与国建联信认证中心共同组织了“低碳混凝土”专家座谈会,座谈会采取线上线下结合的方式进行。会议围绕“什么是低碳混凝土?”“如何界定新型胶凝材料及其应用领域?”“新型胶凝材料解决什么问题?”等展开了热烈而广泛的讨论。专家们在“新型胶凝材料”和“低碳混凝土”的定义、技术要求和其研发与应用等方面凝聚了许多共识。


线上线下参与讨论的专家有:清华大学教授阎培渝 、中国矿业大学(北京)教授王栋民 、北京工业大学教授龚先政、同济大学教授蒋正武 、哈尔滨工业大学教授周春圣 、中建西部建设新材料科技有限公司教授级高级工程师齐广华、华润水泥技术研发中心碳中和技术研发负责人张宾、利勃海尔(中国)有限公司战略及公共关系经理张伟宏、国建联信认证中心副总经理尹靖宇、国建联信认证中心项目经理颜小波。会议由预拌混凝土分会秘书长师海霞主持。


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10月26日,国务院发布了《2030年前碳达峰行动方案》(以下简称《行动方案》)。在《行动方案》的“推动建材行业碳达峰”章节中,醒目地出现了“加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用”的要求。“低碳混凝土”的概念首次出现在了国务院颁发的重磅文件中。这意味着“低碳混凝土”将在国家“双碳”推动的历史性进程中,成为建材产业的一个重要引擎和推手,承载和寄托着全行业低碳发展的期待与希望。


众所周知,所谓“低碳”最通俗的解释就是减少二氧化碳的排放量。而在世界上,除了煤电和钢铁行业之外,生产过程中二氧化碳排放量最大的就属水泥行业了。数据显示,我国是世界水泥第一大国,连续数年的年产量都达到22亿吨以上,水泥成为我国最大的碳排放源之一。而在产业链上,混凝土是距水泥最近的一门产业,水泥的全部产能产量几乎都需要混凝土与水泥制品承接与转化成产品或部品。




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同济大学教授蒋正武



混凝土走向低碳,重点在胶凝材料即水泥


蒋正武:关于低碳混凝土,从对国务院的文件理解,有两个重要的维度。一是从量的角度,需要降低混凝土的用量。二是从质的角度,需要用先进的新技术来推动混凝土的进步与发展。目前对低碳混凝土,目前还没有确切的定义。应对混凝土从生产、应用到全生命周期过程的碳排放进行考量,我们如何做到减碳和碳汇?目前来看,这些低碳技术路径分三类。一是直接减碳技术,即在水泥、混凝土生产过程中直接碳减排放。二是间接减碳技术,优化混凝土配合比,提升混凝土的耐久性,延长其使用寿命。三是碳汇技术,将混凝土中的二氧化碳汇集分存,再加以利用。


混凝土走向低碳,哪个环节最重要?重点在胶凝材料即水泥。使用低碳胶凝材料,就是在直接减碳。新型的胶凝材料及特种水泥、高性能水泥是对普通水泥的提升与改性,但目前还没有大量的应用。另外用固废代替骨料,加强循环利用,也是混凝土低碳的体现。


低碳混凝土碳汇也分两个层次。一是混凝土本身具有碳汇能力,我们需要进一步开发混凝土增加碳汇、固碳的功能。二是从新型胶凝材料的现状看,有些技术走向规模化、工业化,都还尚有距离。现在推进低碳混凝土发展,需要评价、需要标准、需要规范。


这三大类低碳混凝土技术图谱要实现双碳目标,还需制定合理的技术路线图。另外,我们今天在追求混凝土低碳技术,不应忽略混凝土工作性、力学性能、耐久性等基本技术性能,否则就舍本逐末了。





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中国矿业大学(北京)教授王栋民


耐久性是低碳混凝土的重要维度


王栋民:今天研讨会的主题特别地好。谈到低碳,水泥与混凝土分不开,我们要讲水泥与混凝土的可持续发展。我们要多讲并呼唤低碳胶凝材料。因为混凝土本身就是低碳材料,近百年来,混凝土在地球上获得了巨大的成功,混凝土拥有很的环保性与经济性,是地球上的新材料,对此,我们必须高度肯定。从住房、基建到交通、基础设施,都离不开混凝土。但是混凝土中间含有水泥且用量不低。水泥由于其碳排放突出,正在面临着巨大的挑战。要推动水泥朝着低碳的方向发展是全社会的共识。减少熟料的使用就是减碳。在未来的水泥中,碱激发胶凝材料正在成为全球行业热点,这个需要我们关注。对我来说,我更倾心于从耐久性的角度去思考低碳混凝土。我希望我们能用低碳胶凝材料、优良的外加剂、用完全符合标准的固废替代砂石等来打造低碳混凝土的耐久性,从延伸建筑的寿命来长久的降碳。


地球资源富硅铝而贫钙,工矿业固废以铝硅酸盐为主。碱激发胶凝材料可以铝硅酸盐固废为主要原料,占比可达90%以上,经过国内外学者的研究,在性能(工作性、强度和耐久性等)方面已经日渐成熟,可以实现规模化商业应用。如以含碱固废协同利用,更可以替代工业碱,实现以废治废。目前,百万吨级的生产线已经开工建设。在碳中和的宏观背景下,该项技术具有光明的前景和广阔的未来。





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清华大学教授阎培渝



从低碳发展的战略出发,呼吁恢复325#水泥的生产


阎培渝:到2030年实现碳达峰的目标,的确时间紧任务重,这就需要成熟的,可大批量使用的技术。对低碳混凝土,首先要计算碳足迹。从世界范围来看,目前预分解煅烧生产水泥熟料的碳排放水平都比较接近。我国各大型企业生产水泥的热耗与能耗相差不多,但是不同的水泥如P.II.硅酸盐水泥、P.O.普通硅酸盐水泥的碳足迹有较明显的差异,需要认真计算。在计算中,我们需要知道水泥的混合材种类和掺量,但是这个数据很难拿到。混凝土的组分更复杂,碳足迹的准确计算更难。二是界定低碳混凝土、低碳胶凝材料如何发展。前几年,相关部门强制取消了P.C.32.5复合硅酸盐水泥这一品种。现在从碳达峰、碳中和的要求来看,降低水泥碳排量的最有效技术路线是更多地使用混合材。ISO水泥标准体系中有P.C.32.5复合硅酸盐水泥这一品种;32.5强度等级的水泥占德国水泥产量的三分之一以上。水泥的质量高低与品种没有关系。我国目前水泥品质下降,市场混乱程度增加与取消P.C.32.5复合硅酸盐水泥不无关系。所以,应该在我国的水泥标准中恢复P.C.32.5复合硅酸盐水泥。 


关于碱激发胶凝材料,虽然生产过程中不需高温煅烧,但它需要化学工业产品做激发剂,其生产过程也耗费能源资源,综合能耗不一定比水泥生产用得少。碱激发胶凝材料的主要原料。无论粉煤灰还是矿渣,可以直接用于替代水泥配制混凝土。它们都已经成为紧俏的宝贵资源。因此,碱激发胶凝材料能否成为可大量生产与使用的新型胶凝材料,还需要慎重考虑。


由于建筑材料品质波动大,设计师在结构设计时把材料的安全裕量取的比较大,这就需要多用材料,变相地推高了建筑物的碳足迹。如果我们能提高建筑材料的品质与匀质性,就可直接降低建筑物的碳足迹。尤其在使用低品质的固体废弃物时,更要考虑到它们的性能对混凝土耐久性的影响。





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国建联信认证中心副总经理尹靖宇


混凝土碳足迹主要来自水泥及自身生产运输能耗


尹靖宇:谈到低碳混凝土,首先要明确混凝土碳足迹的量化基础。国际通行的产品碳足迹核算包含三个范围,一是企业自身生产厂界范围内直接产生的碳排放;二是外购电力与热力等能源的间接碳排放;三是产品原材料获取、产品使用及报废、拆除和再利用阶段的碳排放。国际通行的碳足迹评价标准是ISO14067《温室气体-产品碳足迹-量化要求和指南》,相应国家标准正在转化中。具体到混凝土产品的碳足迹,包含了混凝土所用原材料的蕴涵碳足迹(尤其是水泥带入的碳足迹)、混凝土生产、运输的碳足迹,以及混凝土在建筑使用及报废拆除再利用阶段的碳足迹,甚至包含碳化过程的碳清除。


列举了熟料、水泥、混凝土到建筑产品的碳足迹的核算示例。结果表明,熟料的碳足迹主要来源于其自身生产制造过程碳酸盐分解及煤的燃烧排放(主要是范围一),水泥的碳足迹则主要取决于熟料的碳足迹,混凝土的碳足迹则取决于水泥的带入碳足迹,按全生命周期碳足迹衡量,水泥在混凝土的碳足迹中占比约80%左右;其次是运输碳足迹大约占9%左右。而在建筑碳足迹中,混凝土、钢材等建筑材料的碳足迹,根据建筑形式不同大约占比8%~20%左右。不同强度等级的预拌混凝土碳排放有很大的差距,由于产品设计、原材料选择、产品生产配合比及实际生产过程等多种因素影响,不同生产企业间的同种产品其碳足迹也存在较大的差异。混凝土使用阶段(包括寿命、碳化清除),以及报废回收、再生骨料应用阶段的碳足迹比较难以量化。碳足迹量化的目的是引导企业使用更低碳的水泥、更环保的运输方式等降低产品的碳足迹。2018年,T/CBMF27—2018《预拌混凝土低碳产品评价方法及要求》协会标准已经发布;国家认证认可行业标准(RB)《预拌混凝土产品碳足迹》标准也正在制定过程中,欢迎企业行业专家积极参与,制定出能够符合混凝土行业节能降碳、引领行业低碳发展的科学碳足迹量化规则。





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北京工业大学教授龚先政


要关注低碳混凝土与新型胶凝材料碳排放核算方法与规则


龚先政:关于低碳混凝土及新型胶凝材料碳排放,主要是核算的方法和规则。我们之前的生命周期分析(LCA)研究过这些方法,与现在绿色发展政策倡导的方向一致,但也不很全面。什么是新型胶凝材料?水泥生产已经有了新的发展方向和生产技术,如生态水泥,其再利用城市废弃物和工业固废等,这从环保的角度来看赋于水泥成为新型胶凝材料特性。我认为更重要的是开拓这些废弃物在城市配套建设中的应用领域,还有许多的问题值得研究和需要解决,如污泥处理方式、在水泥生产应用中前端预处理的烘干等等。关于低碳混凝土,混凝土中水泥的应用量很大,混凝土碳排放绝大部分来自水泥,混凝土种类多、用途广、气候差异大,如何准确地核算其碳足迹?计算的依据是什么?计算边界如何划分?计算全生命周期怎么解决?混凝土利用粉煤灰等废弃物的碳排放、利用废弃物制备外加剂等碳排放更复杂,其计算如何确定?混凝土应用和最终废弃物碳排放处理也很复杂。混凝土的应用场景十分丰富,不同的强度对应不同的低碳值,这就需要给出不同场景的计算方法,这些都还不十分清楚,需要逐步解决。






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华润水泥技术研发中心碳中和技术研发负责人张宾


发展新型胶凝材料需要解决辅助材料资源不足的问题


张宾:从水泥的低碳化角度来看,新型胶凝材料其实就是低碳胶凝材料。低碳胶凝材料从产品端大体上可以分为两类:一是低熟料水泥,二是低钙水泥。对于低熟料水泥来说,需合理的使用矿渣、粉煤灰等辅助性胶凝材料。从全国来看,高炉矿渣目前几乎100%被利用,粉煤灰利用率大约70%,而钢渣、建筑垃圾等的使用率较低。因此,要根据当地资源情况合理发展低熟料水泥。低熟料水泥从实验室研究到落地推广,水泥企业虽然面临着研发、技改、投资、市场认可等方面的问题,但相信这是未来水泥低碳化的发展趋势。对于低钙水泥,目前有很多相关的研发成果和落地产品,但受到产品自身特性、应用场景、市场接受度等原因,其应用范围和使用量小,需开发多应用场景且市场接受度高的低钙水泥。对于混凝土的碳排放,90%以上来自于水泥的碳排放,因此,降低混凝土的碳排放本质上还是要降低水泥的碳排放。对于降低水泥的碳排放,除了前面提到的水泥产品的低碳化,在水泥生产过程中也要实现低碳化。例如,开发替代燃料,每替代10%的煤,吨熟料碳排放可降低20kg~30kg。此外,低碳混凝土还可以从骨料的角度来降低水泥的用量,例如开发精品骨料。与此同时,若要实现混凝土的碳中和,从碳利用的角度可以考虑利用混凝土矿化吸收二氧化碳,这是二氧化碳利用的有效方式之一。





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中建西部建设新材料科技有限公司教授级高级工程师齐广华



从碳循环到碳平衡是一篇大文章,除了强度、耐久性,低碳成为混凝土的又一个制约条件


齐广华:关于新型胶凝材料,我认为不一定必须是低碳。在使用中我们可以引入一个“性碳比”的概念,来强调性能与碳之比。比如生产路基土,可以使用水泥,也可以使用石灰,不同配比方案可以达到同样的性能,使用水泥的未必碳足迹高,使用石灰也未必碳足迹低。同样,在相同强度等级的混凝土中,采用不同的胶凝材料组合方案,使用52.5水泥,未必比使用42.5水泥碳足迹高。


对于所谓低碳混凝土,我认为低碳是相对的,是相对于使用常规材料的普通混凝土配合比而言。我曾经参与并研究过国内外混凝土公司碳足迹核查与碳足迹计算评价工作,其中确定预拌混凝土相关原材料、运输设备等排放因子基础数据是关键,当时有些是采用欧洲标准做默认值。对预拌混凝土碳足迹边界测试过两种方式,即从“摇篮到大门”(出厂前)和从“摇篮到交付”(入泵前),其中交付运输的碳足迹约为10-11kgCO2/m3(取决于搅拌站的辐射半径),约占混凝土碳足迹的5.5%左右。我认为预拌混凝土企业对碳足迹可控的是原材料的选择、配合比,交付与运输可控的只是运输车辆的能源形式,柴油车或新能源车运输距离的选择性有限,目前,新能源混凝土搅拌车已经走入混凝土公司,西部建设已经在使用,因此,当前形势下,将预拌混凝土碳足迹的边界界定在从“摇篮到入泵”更为现实。


齐广华还与大家分享和展示了混凝土生产制造中,原材料、配合比、生产过程、运输交付等环节的碳足迹状况,以及采用不同胶凝材料体系、尾矿资源综合利用碳足迹的比较等碳排放数值与计算方法。





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利勃海尔(中国)有限公司战略及公共关系经理张伟宏


欧洲提出水泥与混凝土减碳,3%来自节能,12%来自替代能源,37%来自熟料的替代


张伟宏:欧洲水泥可持续委员会CSI和国际能源局IEA共同提出的水泥行业《水泥工业低碳转型技术路线图》中提出碳减排目标实现需要:1.水泥生产能源消耗(能源GJ/t熟料、电耗kWh/t水泥)效率提升3%;2.替代燃料,包括绿氢、生物质燃料使用(12%);3.熟料占比率降低(37%);4. 碳捕捉等创新减排技术(48%)。在欧洲,由于二氧化碳排放成本上升、政策和政府资助等因素,此行业路线图正在加速转变为企业路线图。2015年,提出吨水泥2030年排放目标值为520kg,到2021年又降低到472kg。


对于我国水泥与混凝土的低碳达标,我认为,目前最大的想象空间是能源替代和材料替代。我们可以学习欧洲水泥可持续委员会或欧洲水泥研究院,建立数据库资料,欧洲水泥可持续委员会是汇总900条水泥生产线的数据取平均值,而前10%的平均值可以作为先进的指标。到2030年水泥混凝土行业要实现碳排放骤降的话,必须有替代物;2060年实现零碳,就需要有碳捕捉和电力实现零碳供应。水泥的替代物主要应用在熟料烧结低温原材料替代和在混凝土中增加掺合料。特别需要强调的是,在生产低碳混凝土的过程中,针对水泥减量,并不意味着降低品质为代价,需要研究混凝土更多更佳的骨料级配,粉磨更细的粉料配比,以及更加优秀的均匀搅拌,这样的混凝土往往可以减少用水量,提高混凝土耐久性能。






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哈尔滨工业大学教授周春圣


废旧混凝土的再生就是碳捕捉,形成碳循环


周春圣:这次研讨会的主题对推动全行业的“双碳”发展非常有意义。从哲学层面来看,“你是谁?你从哪里来?你到哪里去?”是终极问题。那么二氧化碳从哪里来?它从地壳里来。二氧化碳到哪里去?它还回到地球的生物圈去。大家都提议少用水泥,看来这是一个共识。另外,碳中和、碳捕捉、碳汇集也是大方向。在水泥生产的源头现场做二氧化碳排放收集,这也是一种思路。但是收集起来如何利用,这确实是个新的命题。其实混凝土可以从空气中收集碳。废旧混凝土做再生骨料就是在做碳捕捉,形成碳循环。这需要新技术的开发,混凝土在这方面有优势,我们还有很长的路要走。




重要链接:2020年9月22日,国家主席习近平在第七十五届联合国大会一般性辩论上宣布了我国实现碳达峰碳中和的总体目标。2021年9月22日,中共中央、国务院印发了《关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》,就确保如期实现碳达峰碳中和目标作出全面部署,明确了总体要求,确定了主要目标,部署了重大举措,指明了实施路径和方向。10月26日,国务院发布了《2030年前碳达峰行动方案》,在目标、原则、方向等方面与《意见》保持有机衔接的同时,重点聚焦2030年前碳达峰目标。


两个重磅文件的相继出台,既是顶层设计,也是举国行动指南。《意见》作为管总管长远的纲领性文件,在碳达峰碳中和“1+N”政策体系中发挥统领作用,与《行动方案》共同构成贯穿碳达峰碳中和两个阶段的顶层设计,成为各行业推进“双碳”工作的必然遵循,对确保如期完成碳达峰碳中和这一艰巨任务具有重大意义。


要实现碳中和主要有两种路径,一是减少向大气排放二氧化碳,二是吸收大气中已经存在的二氧化碳。我们的愿景就是希望把混凝土材料开发成固碳资源,希望有朝一日大家脚踩的道路、住的建筑,都来自可以吸收二氧化碳的低碳混凝土。期待混凝土在未来恢复地球碳平衡的进程中能发挥出巨大的产业价值,这既是挑战,又是机遇,更是使命。

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