低碳零碳建材是实现碳中和的关键

张锁江

碳中和是国家重大战略，工业过程碳排放约占我国碳排放总量的49%（包含工业用电间接排放），是我国实现“双碳”目标的重中之重。要在2060年实现碳中和目标，意味着我国在快速实现工业化的同时，用最短的时间实现从碳达峰到碳中和的过渡。2022年1月，习近平总书记在中央政治局学习中特别提出，要大力推动钢铁、有色、石化、化工、建材等传统产业优化升级，加快工业领域低碳工艺革新和数字化转型。

2020年我国建材行业总产量约25亿吨，总碳排放16.5亿吨，其中水泥产量约23亿吨，产生的碳排放量约13亿吨，约占建材行业总碳排放的80%，是建材碳减排的重点和难点。水泥生产过程最大的碳排放来自碳酸钙原料分解，其次是燃料燃烧和电力消耗。

未来随着社会进步，建材用量会逐步减少，但实现建材行业碳中和的主要途径仍要依赖新技术发展，主要包括生产工艺减碳、源头减碳以及CCUS技术。从建筑发展历史看，远古时代的建筑主要是木石或者草木结构，而现代建筑基本是由水泥和钢筋构成，未来将采用新型绿色低碳零碳建筑型式，一方面采用低碳零碳水泥或采用钢结构建筑;另一方面要发展新建筑材料，如碳纤维、塑料、3D打印等新型材料。因此，建筑结构和形式会发生彻底改变。

一、发展低碳零碳水泥

低碳零碳建材是建材行业源头减碳的主要途径，需要通过原料替代、低碳水泥和新型材料替代水泥来实现建材行业的碳减排。低碳水泥是相对现有通用硅酸盐水泥熟料体系而言，以低碳硅比的二硅酸三钙、硅酸二钙、硅酸钙等为主要矿相的新型熟料体系在生产过程中煅烧温度会降低，CO₂排放也更低，是水泥行业的重要发展方向。在不久的将来，随着低碳水泥、负碳水泥等新技术实现突破性发展和推广应用，将进一步加快我国建筑行业碳中和进程。

我国每年都会有大量的高钙硅含量工业废渣产生，如钢渣、电石渣、粉煤灰、硅鈣渣等，这些工业废渣的堆积占用了大量土地，严重污染环境。采用这些工业废渣替代石灰石作为水泥生产用原料，是水泥行业协同处置工业固废并同时降低原料煅烧过程中的CO₂排放的重要途径。例如，通过湿法矿化技术，可实现钢渣中游离钙高值化和固碳过程耦合，同时提高钢渣掺混率，提升钢渣水泥的胶凝活性和稳定性，制备低碳水泥。循环流化床粉煤灰是高凝胶活性的含硅材料，可替代部分熟料制备低碳水泥。电石渣中钙含量很高，是水泥的优质钙源，可代替部分水泥熟料减少生产过程碳排放。

新型凝胶材料技术主要是利用碱性激发剂激发工业废渣获得低能耗、低碳排的聚合材料，相对于水泥而言其CO₂排放很少。虽然目前还没有证据表明其可以全面取代普通硅酸盐水泥，但已经有一些研究成果表明在不久的将来这种建材或将被广泛应用。

二、发展低碳钢结构建筑

钢结构建筑是替代水泥建筑的一种重要方式，相较于传统混凝土建筑，它更加绿色低碳、节能节水，并且具有主材可回收、装配简单、减少人工、抗震性能好等优势，被誉为21世纪的“绿色建筑”，如鸟巢、武汉雷神山医院等都是钢结构建筑。从全生命周期看，钢结构建筑相比水泥建筑可降低碳排放35%以上。钢结构建筑的发展关键在于钢铁行业自身低碳技术的发展。钢铁行业主要的排碳单元是高炉炼铁过程中碳作为还原剂和热源产生大量CO₂，因此减排的关键是碳原料替代和流程变革。在产业结构调整的基础上，应大力发展富氢或全氢冶金技术、废钢回用短流程技术、富氧燃烧、钢化联产等技术。

三、发展新型建筑材料

碳纤维材料是新型绿色建材的发展方向之一。碳纤维作为一种性能优异的战略性新型建筑材料，密度不足钢的1/4，但强度却是钢的5-9倍，且耐腐蚀性强。碳纤维做的碳网格混凝土，比传统的钢筋混凝土减少钢筋用量约75%，从全生命周期来看，碳纤维混凝土在能耗和性能等方面都具有优势。德累斯顿理工大学采用C3-碳混凝土复合材料建成的一个220平方米实验室，减少了约50%的碳排放。

另外，我国碳纤维应用在建筑领域也有了一些突破，如在浙江桐庐机器人编制的碳纤维结构展亭——结缘堂，国内首座应用碳纤维材料斜拉索的千吨级车行桥——聊城市兴华路跨徒骇河大桥。目前受限于生产成本高、能耗高、碳排放高等因素的影响，碳纤维还不能大规模应用于建筑领域。因此，亟需变革性的碳纤维生产技术，如以烟气、废气中捕集的CO₂为原料，利用太阳能提供绿色电、热能源制备碳纤维材料，或以生物质为原料通过纺丝、预处理、碳化等过程制备碳纤维材料，以此实现碳纤维新型建筑的发展。

新型塑料也展现出了部分替代水泥的潜力。如德国一座8层2.4万平方米的大楼就采用新型塑料填充结构，预计可减少35%的混凝土用量。塑料材料在建材行业应用的根本是负碳聚合物技术的突破。另外，3D打印建筑作为一种新兴建筑模式，也逐步呈现出一定的发展趋势，但相对来说，这种建筑成本比较高、材料结构本身没有突破，未来3D打印材料可以朝着低成本、流动性、高强度、耐久性的有机-无机复合材料方向发展。

四、建议与思考

建材行业减碳不能孤立，必须与化工、有色、钢铁等行业进行深度耦合，这是实现低碳、零碳建材的关键。传统水泥向低碳水泥发展，用工业废渣做水泥生产的原料，这将是近期的重点工作。未来，生物质可能做出碳纤维，CO₂可能做出各种各样的塑料，大部分能量可以来自太阳能，新型材料可以用于低碳零碳结构的建筑，所以低碳零碳建材是实现碳中和的关键，也将带来建筑结构和形式的革命性变化。从材料基因组学上通过纳微结构来调整水泥元素的选择，如钙、硅、氧、铁、镁、铝、碳、氢等元素种类和比例的调整可以获得低碳或负碳水泥，解决建材行业低碳零碳发展的科学问题。鉴于此，给出以下建议：（1）加强战略规划，制定建材变革性技术路线图;（2）突破新型建材纳微层次结构及作用机制认知;（3）突破低碳建材生产工艺、装备与工程化难题;（4）加大支持力度，加快新建筑材料的示范应用;（5）创新体制机制，组建跨行业的交叉攻关团队。