浅析双碳目标下减碳固碳建筑材料展望

2022-12-15刘志中王平

工程建设与设计 2022年22期

刘志中，王平

（中建二局第三建筑工程有限公司，北京 100070）

1 引言

建筑材料是建筑领域碳排放的主要来源，对全球变暖有一定的影响，需要对建筑材料的碳排放特点进行分析，加深对建筑材料的了解，使减碳固碳技术得到有效运用。减碳固碳是改进建筑的材料的重要方法，需要对建筑材料的组成进行分析，增强建筑材料的固碳作用，同时确保建筑材料使用的合理性，避免出现材料滥用现象，使建筑材料能够满足碳排放指标。

2 双碳目标下减碳固碳建筑材料相关概述

2.1 碳排放特点

建筑领域的碳排放主要来自建筑材料，需要对碳排放的特点展开分析，使碳排放能够符合指标要求。碳排放对生态环境的影响较大，建筑生产过程中，伴随着碳排放的进行，会对环境造成严重的影响，因而应对建筑材料的碳排放进行控制。首先需要对碳排放量进行精准计算，对建筑生产过程进行分析。碳排放量的计算公式为：

式中，A为碳排放量；Bi为能源i的消耗量，按标准煤计算；Ci为能源i的消耗系数；i为能源种类。

通过式（1）可以对不同资源的排放情况进行对比分析。据相关资料统计，建筑全过程碳排量如图1所示，在生产、施工、运行过程中，均伴随着二氧化碳的排放，年均碳排量达到49.3 t，对环境具有显著的影响。由此可见，建筑减排应进行全面控制，将碳排放量限制在一定水平，增强建筑材料的固碳作用，提高对碳排放的控制效果[1]。

图1 建筑全过程CO2排放量（单位：×108 t）

2.2 减碳路径分析

2.2.1 生产方面

建筑材料生产过程中，将伴随二氧化碳的生成，需要从生产角度对碳排放进行分析，进而对生产过程进行改进。以钢铁建材为例，生产过程中会消耗大量的电能，同时需要煤炭来提供热源，不仅会增加二氧化碳的排放量，还会伴随着资源的消耗，不利于生产成本的控制。传统的炼钢法对资源的消耗较大，需要进行降碳减排方面的控制，采用高效率的炼钢形式，提高钢材生产的节能控制效果。因此，建材生产应向减排方向改进，合理对减排技术进行应用，如电弧炉冶炼技术，能显著降低生产中的碳排放量，提高碳排放控制的稳定性。

技术改进是碳排放控制的重要手段，能够增强对碳排放的控制作用。一方面，需要对生产原料进行改进，提高材料的固碳效果，防止二氧化碳扩散到空气中。另一方面，需要对生产技术进行改进，注重生产过程的低碳控制，降低二氧化碳的排量，提高碳排放量控制的稳定性。

2.2.2 应用方面

建筑材料应用过程中，会伴随着二氧化碳的产生，需要重视材料使用环节的控制，加强对碳排放的控制效果，保证材料使用的合理性。建筑施工过程中，需要使用节能型材料，减少施工过程碳排放量。碳排放控制过程较为复杂，应注重材料的品质和性能，避免使用劣质高碳的材料，否则会增加碳排放量，不利于减碳固碳的控制。同时，需要对材料的用量进行控制，提高施工材料的利用率，减少建筑材料的用量，进而减少二氧化碳的产生。另外，需要注重新型建造技术的推广，如装配式建筑、木结构等，提升建筑结构的固碳优势，采用绿色施工的方式。材料应用过程中，需要采取施工管理措施，确保施工技术使用的规范性，使建材能够充分发挥固碳作用。

3 双碳目标下减碳固碳建筑材料技术改进

3.1 混凝土固碳

混凝土是建筑施工的主要材料，需要注重固碳技术的应用，限制混凝土的碳排放量，降低二氧化碳的生成量。混凝土是常用的建筑材料，在建筑总材料中占据70%以上，因此，对混凝土采用固碳技术非常重要。混凝土固碳技术主要是对工业生产中产生的二氧化碳进行回收利用，提高二氧化碳的利用率实现混凝土的固碳效果。混凝土固碳过程中，起到固碳作用的物质为钙镁组分，能够与二氧化碳发生反应，将其固定在混凝土中，而且能够对碳量进行锁定，防止二氧化碳溢出混凝土体系外，使固碳技术得到有效应用。固碳技术对混凝土性能具有积极影响，一方面，可以降低水泥的用量，节约一部分原料的使用，降低二氧化碳的排放量。另一方面，碳含量增加后，能够提高混凝土的强度，保证混凝土的性能指标。

图2所示为固碳技术对混凝土性能的影响。由图2可知，固碳技术具有显著的减碳固碳效果，在用量方面，水泥含量降低了7%；在强度方面，混凝土的28 d强度提高了10%，因而采用混凝土固碳技术具有可行性。

图2 固碳技术对混凝土性能的影响

3.2 混凝土添加剂

混凝土添加剂具有一定的固碳效果，需要注重外添加剂的使用，满足混凝土的固碳需求。需要注意的是，添加剂有用量限制，即用量不能超过水泥的5%，否则会对混凝土结构造成影响，导致其性能指标下降。以聚羧酸减水剂为例，需要将其用量控制在5%以下，并且需要对混凝土的强度进行检验，确保减水剂使用的合理性。混凝土减水剂检验指标见表1。通过检测结果可知，混凝土的各项指标均在标准范围内，表明减水剂的使用质量良好。然而，添加剂在使用过程中会产生一定量的二氧化碳，增加碳排放量，因而需要对添加剂进行改进，通过添加剂实现固碳效果。

表1 减水剂对混凝土性能指标的要求

研究表明，纳米级二氧化钛具有良好的固碳效果，可以作为添加剂进行使用，不仅可以提高混凝土的性能，还能吸收空气中的二氧化碳，优化室内空气环境的质量。另外，纳米级二氧化钛还能吸收空气中的氮氧化物，具有净化空气的作用，降低空气中有害物质的含量，有显著的应用优势[2]。

3.3 碳负性水泥

碳负性水泥是一种环保型建筑材料，具有广泛的市场前景，能够对碳排放量进行控制。传统的水泥材料由碳酸钙分解制成，会产生大量的二氧化碳，每吨水泥碳排放量可以达到0.8 t。经过对生产原料进行改良，采用镁铝盐取代碳酸钙进行生产，能从根本上限制碳排放量，将每吨水泥的碳排放量控制在0.5 t以下，提高对碳排放的控制效果。镁铝盐是生产碳负性水泥的主要原料，对二氧化碳具有一定的吸收作用，对其他材料的碳排放进行弥补，增强碳负性水泥的优势。以镁铝盐作为原料，能够对生产环境的温度进行控制，与碳酸钙煅烧相比，将生产温度由1 500℃降至600℃，能降低煤炭资源的消耗，降低水泥生产的碳排放量。以镁硅酸盐为例，全球具有丰富的资源总量，储粮可以达到1×1013t，将其作为生产原料具有可行性，镁硅酸盐能够与二氧化碳反应生成MgCO3，进而起到固碳作用，降低空气中的二氧化碳含量。碳负性是建筑材料生产的重要指标，有助于生产工艺的全面改进，提高生产过程的控制效果，对生产过程进行稳定控制。

3.4 混凝土新型胶凝材料

胶凝材料是组成混凝土的重要物质，在生产过程中，需要对胶凝材料进行改进，采用新型的胶凝材料降低生产中混凝土的碳排放量。在传统生产方式中，胶凝材料主要为粉煤灰、矿渣等材料，会产生大量的二氧化碳，不利于减碳。对于新型凝胶材料，采用黏土、石灰石组成复合材料，能提高混凝土的绿色低碳效果，保证混凝土得到有效运用，并且不会影响混凝土的性能。新型黏胶材料采用煅烧的方式进行生产，煅烧过程处于碱性条件下，即使二者的掺量达到40%以上，混凝土仍然具有良好性能，因而新型胶凝材料可以代替一部分胶凝材料使用，进而对碳排放量进行控制。新型胶凝材料能降低水泥熟料的用量，对水泥生产的碳排放量进行控制，提高碳排放量的控制效果，构建完善的低碳水泥体系[3]。在新型胶凝材料的影响下，能降低30%～40%的碳排放量，具体情况如图3所示。另外，在新型胶凝材料的作用下，能减少20%的热能要求，降低煤炭资源的消耗，使燃煤得到充分利用。

图3 新型胶凝材料碳排放量

3.5 低碳保温材料

建筑施工过程中，需要注重低碳保温材料的应用，从工艺层面降低碳排放量，提高对二氧化碳的限制作用。低碳保温材料的种类较多，包括挤塑板、聚苯板、岩棉等，选择建筑材料时，应合理选择材料，确保低碳控制的稳定性。以GRAMITHERM有机保温材料为例，其主要成分为草纤维，导热系数为0.04 W/（m·K），有良好的保温性能。与聚丙苯保温材料相比，该材料碳排放量少，并且可以吸收二氧化碳的作用，每千克GRAMITHERM有机保温材料可以吸收1.4 kg二氧化碳，而且吸收量要大于排放量，使该材料具有碳负性优势，对空气具有较强的净化作用，属于保温兼环保材料，有利于营造良好的室内环境。因此，需要注重新型材料的研究，提高建筑材料的技术优势，使碳排放量能够负增长。