低碳经济对混凝土行业低碳化发展的要求

聂法智

（北京新航集团，北京 100190）

1 混凝土行业低碳化发展的必要性

为了应对气候变化给人类生存环境带来的巨大挑战, 低碳经济的概念应运而生。英国政府在2003 年的能源白皮书《我们能源之未来: 创建低碳经济》中，首次提出了“低碳经济” ( low carbon economy) 的概念。“低碳经济”提出的大背景，是全球气候变暖对人类生存和发展的严峻挑战。

中国作为发展中国家，尽管发展经济依然是我们的主题，但在全球气候变暖的大背景下，也要主动承担节能减排的国际责任。在全球瞩目的哥本哈根会议前，中国政府提出我国控制温室气体排放行动目标，2020 年单位GDP 碳排放降40%～50%的目标。减少排放、保护环境是以人为本发展理念的基本要求，是我们可持续发展的内在需求。从下图中可以看出中国远高于平均水平，而且碳密度位居前列（碳密度：百万吨能源消费排放的CO2/1000 美元GDP）。从发展趋势看，未来20～50 年间，中国需在工业化发展和温室气体排放之间进行平衡。努力走出一条低消耗、低排放、高效益、高产出的新型工业化道路，力求实现经济发展和保护环境“双赢”的目标，将是我国对世界可持续发展和应对气候变化的一大贡献。节能减排是我国调整经济结构的一个突破口，是使中国的GDP 更为绿色、更为可持续发展的一个契机。

随着我国经济的快速增长以及城镇的快速发展，混凝土原材料的使用量也在逐渐增加。目前我国传统水泥属于高排放、高能耗、高污染产业，更属于“高碳排放”模式。在水泥的生产、流通、使用过程中存在许多“高碳排放”行为，如：我国水泥生产是以煤为主要能源结构。按照我国现有的水泥生产工艺水平计算，每生产或使用1t 水泥，平均综合能耗约120kg 标准煤，向大气排放CO2气体接近 0.75t，还有其他的SO2酸性气体和NOX氮氧化物等有害气体或致癌物气体及水泥粉尘。据统计，2010 年我国水泥产量为18.68 亿t，按照上述水泥单位产量综合能耗和废气排放量计算，全国水泥业共耗标准煤2.24 亿吨，排放CO2气体14.0 亿t。

对于混凝土企业而言，在低碳经济的大环境下，发展低碳混凝土，建设低碳混凝土工程，符合科学发展观的思路，也符合当今建设资源节约型和环境友好型社会的内在要求。低碳经济中的低碳标准既要符合国家的政策，又可操作，能够使企业得到很好的发展，对健康的好企业也能起到真正的支持作用。

减少混凝土中碳排放量，“低碳混凝土”概念正当适用，对原材料的综合利用以及对废弃材料的再生利用，这一切不仅能够为“低碳”助力，更是体现低碳经济中十分明显的环保意义，而低碳经济能否带动“混凝土行业低碳化”的发展也只是时间问题。

2 混凝土行业低碳化的指导思想

在低碳经济的要求下，混凝土行业的低碳化发展，建设低碳混凝土企业，要以科学发展观为指导，以建设“两型企业”为契机，一是着眼于在“源”上的替代、减少和提高效率，即低碳混凝土；二是着眼于在“汇”处的吸收，即吸收CO2。其中，最积极的方法是减少输入端的高碳能耗，这需要把重点放在实现低碳导向的生产模式、新型现代化低碳混凝土产品以及具有整合作用的新型低碳混凝土发展道路。不断开发低碳混凝土和智能混凝土及特殊功能混凝土，拓展低碳混凝土应用领域。利用信息技术产业化，获得数据，提高效率，产业规划！

3 绿色高性能混凝土是混凝土行业低碳化最主要的发展方向

“绿色高性能混凝土”（GHPC)已不属于新生词汇，但是在“低碳经济”效应中所衍生的“低碳混凝土”似乎已经又看到了新生的曙光。因为同属于环保、节能范畴中的“低碳混凝土”与“绿色混凝土”在某些地方仍存在着一些交叉，而这些交叉点也将会成为“绿色混凝土”未来发展的支撑点。

目前，我国单位GDP 能耗为美国的4.3 倍、日本的11.5 倍。我国规划建设领域的高能耗现象也相当严重，研究表明，目前建筑能耗已占到我国总能耗的27.5%。建筑业的高能耗贯穿建筑材料生产、施工及后期运行、拆除等各阶段。具体表现为：传统的建筑施工模式产生大量的能耗浪费，包括水、混凝土、钢材等；当前绝大部分住宅建筑等都以毛坯房形式交付，而后进行二次装修，这种类似小农经济的模式造成严重的能耗浪费，产生大量的装修垃圾;大部分建筑在建设过程中优先控制成本，但很少顾及后期运行与维护成本；建筑寿命太短，很多建筑寿命只有20 多年，甚至1980 年代的房子到了1990 年代就拆，1990 年代的房子现在拆的现象比比皆是，造成了巨大的能源、原材料的消耗与浪费。

混凝土作为一种在建筑工程中使用最为广泛的大宗建筑材料，随应用领域的不断扩展，各种特殊工程对其性能的要求在不断提高。首先强度是表征混凝土最常规而且也是主要的一项技术指标，在相当长一段时间内混凝土强度直接代表着混凝土发展的技术水平。随高层建筑及大跨度桥梁的不断建设与发展，混凝土必然会向着高强方向发展。其次，由于施工机械化和生产效率的不断提高，混凝土的生产已经走上了商品化的道路，而且，混凝土的供应品种也在不断增加，如泵送混凝土、水下不分散混凝土、免振捣自密实混凝土等等，这都要求混凝土具有良好的流动性、可泵性、保水性等施工性能。再次，混凝土的耐久性也越来越成为国内外混凝土研究人员关注的热点，良好的耐久性不仅意味着混凝土结构的寿命延长，而且更重要的是其能适应各种不同的恶劣环境，抵御不同侵蚀介质的破坏，如在大型水利大坝、海洋钻油平台等特殊工程中混凝土的耐久性往往比强度更为重要。另外，为了适应新材料的发展趋势，人们对混凝土的某些特殊功能提出了要求，如超早强、高耐磨、吸声等性能。综上所述，混凝土的发展必然会走向绿色高性能的发展道路。当今混凝土的发展不仅要求其应具备足够的强度、施工性、耐久性等方面的高性能，还应具备无毒害的特征，符合可持续发展战略。

最早提出绿色高性能混凝土概念的是吴中伟教授，他认为GHPC 应具有以下特征：熟料水泥成分要低，主要胶凝组分应是磨细工业废渣，以减少熟料水泥生产对环境的污染，磨细工业废渣的掺量要尽量的多；充分发挥混凝土高性能的优势，以减少水泥和混凝土的用量；GHPC 的应用范围要广。

绿色环保是混凝土技术发展的主题，同样低碳混凝土应具备的特征是：

（1）节约资源、能源，实现可持续发展。

（2）有利于环境保护，减少CO2、粉尘的排放，减轻大气温室效应。

（3）混凝土耐久性能优越，提高建筑物的使用寿命，减少直接或间接的维护费用。

（4）组成混凝土的原材料放射性核素比活度满足要求，游离甲醛、释放氨含量应尽可能的低，满足对公共及民用建筑舒适、健康、安全的需要。

（5）减少烧结熟料用量，大量利用粉煤灰、粒化高炉矿渣粉以及尾矿粉等工业废料。

4 大掺量矿物掺合料混凝土的应用是推动混凝土行业低碳化发展的主要技术路线

在低碳混凝土的特征中，以工业废渣为主的掺合料的作用体现的非常明显，这主要是因为矿物掺合料不仅能满足混凝土高性能的要求，而且更能体现混凝土的低碳特征和可持续发展的战略。掺合料在混凝土中的大量应用，首先意味着混凝土的生产降低工业废渣本身的环境污染及土地资源浪费；其次减少了胶凝材料中水泥的用量而间接地减少了熟料水泥生产而导致的资源、能源消耗、环境污染及碳排量；另外在一定程度上提高混凝土的性能，延长混凝土的寿命，减少了维护及重建所需的水泥及混凝土用量，也间接地节约了资源、能源，降低了环境污染。从以上三个方面的论述，以工业废渣为主要成分的矿物掺合料是符合低碳经济发展要求的，是低碳混凝土发展的主要技术路线，矿物掺合料必将成为极具生命力的混凝土行业低碳化发展的必须材料。

掺入活性矿物掺合料后能节省15%～50%的水泥，从而减少了水泥在生产过程中大量的能源和资源消耗，并减少了温室气体、有害气体及粉尘的排放，提高了居住环境的舒适度。

更多的掺入粉煤灰和矿粉，可吸纳大量的工业废料，减少堆放废料对场地的占用，提高土地利用率，同时保护生态环境，有利于可持续发展。

改善新拌混凝土的工作性能。粉煤灰具有形态效应、活性效应和微集料效应，混凝土中掺入大量的粉煤灰后，对混凝土拌合物具有一定的塑化和保塑作用，提高了混凝土运送距离，对保持可泵性具有良好的作用。

提高混凝土的力学性能。就强度而言，粉煤灰的活性要比水泥低，但后期强度会逐渐得到发挥，具有潜在的后期增强能力，不断提高构件的承载能力；同时，拉压比的提高，改善了混凝土的脆性，提高了早期抗裂能力。

提高混凝土的耐久性能。掺入以粉煤灰为代表的活性矿物掺合料后，混凝土的密实度增加，水化热降低，自收缩减少，抗渗性、抗冻性、抗氯离子和硫酸盐侵蚀能力增强，能够提高建筑物的使用寿命，减少重建、维护和保养费用，间接效益也十分可观。

营造良好的居住环境氛围。组成混凝土原材料的放射性满足要求，基本不含游离甲醛和氨类物质，能够为人类提供温和、舒适、健康的生存环境，同时为后代留下宝贵的地球家园。

5 尾矿的综合开发应用是生产低碳混凝土的重要资源支持

尾矿是采矿企业在一定技术经济条件下排出的废弃物，同时又是潜在的二次资源。尾矿的回收利用是矿山实现尾矿资源化、无害化的发展方向。开发利用尾矿不仅可以使矿产资源得到充分利用，解决环境污染问题，还可以产生可观的经济效益。传统概念的矿山尾矿固体废料从消极的治理，有可能转变为积极的资源化开发。

我国大多数矿山资源的品位较低，在选矿流程中排出大量的尾矿，随着矿产资源利用程度的提高，矿石的可开采品位相应降低，尾矿排出量也在增加。我国2008 年有矿山尾矿库27000多座,据中国矿业联合会绿色矿业办公室最新统计数据显示,目前我国尾矿堆积量已高达80.51 亿t。世界各国每年排出的尾矿量约50 亿t，而我国仅2000 年尾矿排放量就达6 亿t 左右。目前堆存的废弃物已达200 亿吨之多。而且还在以每年几亿吨的速度增加。目前我国的尾矿综合利用率仅为8.3%，大量的尾矿只能堆放在尾矿库或一些自然场地中，如此之多的尾矿不可避免地带来一系列的问题。

目前我国尾矿的综合利用主要集中在尾矿再选（从尾矿中回收有价成分）、矿山采空区的充填、用作建筑材料等方面。建筑行业为尾矿砂的资源化利用提供了有利条件。近年来大量的研发工作证实，尾矿还可以作为混合材代替部分水泥熟料、替代混凝土骨料或磨细后作为掺合料制备混凝土；有些尾矿因其化学成分和矿物组成等特点，具有潜在活性，可开发成混凝土胶凝材料，提高其利用附加值。解决优质粉煤灰、矿粉等掺合料在全国各个地区来源不足、能耗较高、稳定性较差的弊端；这为尾矿砂的合理应用找到了更加环保、高效的新途径，同时亦为低碳混凝土找到了重要的资源支持。

研究和试验结果表明，尾矿砂石经过适当处理能够达到建筑用砂石的技术标准，所配制的混凝土性能良好，符合工程需要；同用天然砂石配制的混凝土相比，拌合物性能基本相同，抗压强度、弹性模量、碳化、钢筋锈蚀等耐久性有所提高；具有良好的抗冻性和抗变形能力，无碱集料反应的危害；符合可持续发展战略，可降低生产成本，具有良好的社会和经济效益。

尾矿砂作为粗、细骨料用于预拌混凝土中，其生产工艺已比较成熟，对尾矿砂、尾矿石加其他固体废弃物（粉煤灰，钢渣等）的使用率达到了30%以上。

北京新航集团把尾矿砂磨至一定细度加入适当的激发材料制成混凝土矿物掺合料，可替代25%～35%的水泥，已用5000t 尾矿粉用作矿物掺合料，取得了良好的经济效益和社会效益。已成功地用于多项混凝土工程，使用效果良好。

目前我国每年建设需用混凝土25 亿m3，需水泥近8 亿t，烧制水泥所需粘土近1 亿t，吞食良田多亩。另外烧制和使用每吨水泥每吨要排放CO20.75t。如推广应用尾矿粉替代水泥技术，推广面按目前我国年混凝土产量替代，每年可节约水泥2 亿t。这样可以减少石灰石开采量2.2 亿t、减少粘土使用量6000万t，减少CO2排放量1.6 亿t。仅此可以消耗尾矿砂2 亿t。相当于吃掉每年60%全国尾矿砂的增长量。因此，推广应用尾矿粉作为掺合料替代水泥技术不仅推动了固体工业废料的资源化利用，推动混凝土行业的低碳化发展，同时对改善环境，节省良田都有可观的经济效益。

6 中水回收及再生混凝土的应用是混凝土行业低碳化排放及再利用的趋势

混凝土生产企业是用水大户。以北京市2010 年混凝土年产量3478万m3计算，总计消耗用水约1113万m3，用量相当可观。若能在整个混凝土生产环节中实现水资源的综合利用，既可减少污染排放，使污水无害化，又可增加可利用的水源，是保护环境，防治水污染，缓解水资源不足的重要途径之一。

混凝土企业中水及回收水主要是冲洗搅拌机、搅拌楼地面、运输车、分离废弃混凝土产生的污水，污水中含有水泥浆、骨料、外加剂及杂质等成分。一般而言，运输车中残留的混凝土为0.5%左右，由此计算得出回收水中的泥浆含量应为2%～3%。

在保证混凝土质量的前提下，将混凝土的生产废水形成再循环，用于混凝土的拌制中，既可节约宝贵的淡水资源，又可形成商品混凝土企业“三废”处理的一条有效途径，节约生产成本，节约材料成本，其意义重大，是低碳混凝土污水资源化的重要保证。

改变传统的再生混凝土只能用于中、低强度等级的非结构部位混凝土，通过采取一定的技术措施改善再生混凝土界面结构，使再生混凝土向高强高耐久性方向发展，推动再生混凝土新技术的发展和推广应用范围，是混凝土行业低碳化的发展趋势。

7 建立绿色花园式搅拌工厂是混凝土行业低碳化的一种途径

混凝土行业的碳排放不可能在短期内实现质的转变、以燃煤为主的能源结构也不可能在短期内根本改变的条件下，充分发挥绿色植物的碳汇潜力，通过搅拌站中水的综合治理、土地调整和植被措施将大气温室气体储存于生物碳库，积极扩大碳汇是成本较低的减碳途径。绿色植物通过光合作用可以吸收二氧化碳。例如，每公顷阔叶林每年大约吸收360t 碳当量、每公顷针叶林每年大约吸收930kg 碳当量、每公顷草坪每年大约吸收870kg 碳当量。因此，在搅拌站植树造林，集约利用土地，提高绿化率，建立绿色花园式搅拌站生产环境实际上就是在固碳减碳。在减碳的同时也提高了员工的生活环境，陶冶了道德情操。

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