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混凝土是不是高能耗和高碳排放产业？
时间：2022年04月14日信息来源：混凝土世界 点击：次
人法地，地法天，天法道，道法自然
─老子：《道德经》
引《道德经》中这一句名言，是想说明，人类的行为应该遵守大自然的规律，长消有序，才能生生不息。地球给予人类赖以生活的所有条件，能源和资源的消耗，以及污染物的排放是社会发展中必然会发生的。但是数十亿年形成的地球能源和资源并不会在短时期内再生，人类对自身赖以生存的大地应当怀有敬畏之心，精打细算，给大地以休养生息的时间，以平衡消耗和修复的运动。由于大自然的规律，在地球上的不同地域，气候条件和资源与能源的分布有很大差别，自从人类形成不同的利益集团，就开始为占有这些资源而相互争斗，更造成正常消费以外的浪费；我们曾误以为，我国地大物博，资源取之不尽用之不竭，没想到，近数年来对资源和能源的消耗已出现透支的现象。节能、降耗、减排是人类可持续发展重要的战略需要，已刻不容缓。
资源透支现象的出现，一方面是需要面对资源缺少珍惜而盲目建设的后果；另一方面出自没有注重科学使用而造成浪费。后者比如当前C30混凝土用水量能做到175kg/m3的已经越来越少了，超过180kg/m3的已非常罕见，以致混凝土频频出现开裂的现象，使混凝土结构耐久性难以保证；质量不好的混凝土，给子孙后代留下大量将来需要拆除或修补改建的负担，更会加重对能源和资源消耗，以及排污的压力。全民增强节能、降耗、减排的意识，并且行动起来，已迫在眉睫。
在此讨论两个问题：混凝土是高耗能和高CO2排放的产业吗？混凝土是否还有进一步节能、降耗、减排的潜力？
一、各种材料能耗和碳排放的比较
一般来说，产业的能耗和碳排放应从最上游源头开始到最终产品叠加计算，例如钢材，从矿山开采、选矿、炼铁、炼钢，直到把钢锭加工成型钢、盘条、钢板等整个生产的全过程。对混凝土材料，亦理应如此。但混凝土的主要原材料水泥和砂石生产的能耗和碳排，甚至产品质量，都是混凝土业所不能控制的，无法承担其耗、排的责任。然而，当前水泥和混凝土是各自独立生产和经营核算的，自然都像所有独立生产和经营的材料一样，从原材料到最终产品全过程的足迹来计算其碳排量。
引自文献[1]的图1是由一个无党派、非营利的独立组织世界资源协会所编制的，是对以CO2当量表示的全球温室气体来源的分析，显示按不同材料每1kg所隐含的能量与隐含的CO2排放量。混凝土和水泥作为两个独立产业计算，但都包含碳足迹。由图1可见，在全部主要的建造材料中，混凝土的潜在能耗与CO2排放量是最低的。就连一直在承受着“耗能大户”名声压力的水泥产业，在图1中所见其每1kg产量的碳排和也比最碳排量的其他产品的低到1个数量级；而每1kg素混凝土的砌块碳排量只有60g，钢筋混凝土的也只有200g，塑料的则达约10000kg。各种材料的单位碳排量与能耗呈线性正相关。
与其他大多数材料相比，由于成本低、原材料的易得性、可加工性，以及多种优良的使用性能（见表1），混凝土是现今世界上使用最广泛的建筑材料。
由表1可见，在本质上，按每1kg产量计算和对比，混凝土具有很低的能耗和碳足迹；与水泥混凝土有关的全球CO2高排放量，当然不是来源于该材料本征意义上的隐含的CO2值。
二、能耗和碳排放应怎样计算和比较？
按制成相同承载力、相同高度的柱子，混凝土和传统结构用材料─砖石、钢材相比，如图2所示，折算成油耗，承受1t荷载的1m高柱子，混凝土能耗不到100L，砖的超过200L；钢的则约达到350L。
与混凝土相比，水泥的高能耗和高排放毋庸置疑，至于为什么混凝土或水泥制品会被误认为是高能耗与高排碳产业，主要的原因应当是其用量所要求的产量之大，在建材行业无可比拟，因而在碳足迹总的能耗和碳排放量方面或从全生命周期来看，就会首当其冲。
混凝土用途广泛，当前我国混凝土产量很难统计。水泥是只为混凝土（包括预拌、路拌、预制构件、砂浆、砌块等）而生产的，不能长期库存，从水泥产量可以计算出混凝土的使用量。有记载并报道的2019年我国水泥产量为23.3亿t，以每1m3混凝土用水泥300kg计，则混凝土产量少说也有70亿m3，即使单位耗能和碳排量都很低，而这样巨大的总量自然可观。但是如果没有大规模建设量的需要，混凝土绝不可能生产这么多。
按独立的产业计算还是按整个产业链计算？按单耗、单排还是按总耗、总排计算？计算结果当然不同，目的也不同。统计产品的能耗和碳排量的目的是整体考量该产品生产的投入产出比，利弊与得失，对产业布局做出合理的决策。各种产品科学的计算应该是在同一基点上进行。图1所示的基点是产品的单位产量，有利于督促各产品生产者致力于尽量降低自己的能耗与碳排量；图2所示的基点是用于达到相同功能的相同对象，这是最合理的基点，因为材料被制成结构构件才是混凝土的最终产品。
三、混凝土节能、降耗、减排的潜力
这里只是指使用硅酸盐水泥和砂石的混凝土，从单位产量能耗和碳排量，即材料全部生产过程来看，混凝土并非高耗能和高碳排行业，无论怎样计算，混凝土的能耗和CO2排放都非常低，如果不计原材料，混凝土拌和物的试验、搅拌、运输等各环节的单位电耗和碳排当然都更低，几乎可以忽略，但是为了对总量的贡献，进一步继续挖掘，也还有未尽之潜力，其中绝大部分来自于原料的水泥和砂石。
（一）砂石质量仍然是混凝土质量的一个重要障碍
实际上，注重提高混凝土的质量和节能、降耗、减排是关联的。对于混凝土拌和物，理想的质量是在满足设计的强度和施工性能要求的前提下，使用最低的用水量。用水量低意味着在按强度确定的水胶比下，浆骨比最小，即可得到尽量小的开裂敏感性，满足混凝土结构耐久性要求，同时用尽量低的水泥用量，间接达到降低能耗、资源消耗和CO2排放的目的。据至今的了解，目前我国混凝土拌和物单方用水量始终居高不下。国外C30混凝土拌和物用水量的先进记录为130kg/m3，我国则一般都在175kg/m3以上，C50混凝土因水胶比较低而在165kg/m3以上。只有个别做得好的，已做到C30的150kg/m3和C50的147kg/m3。我国混凝土拌和物用水量居高不下的主要原因在于砂石的质量。
众所周知，在母岩选定后，砂石质量主要是级配和粒形。关于级配，长久以来，都是在采石场做到符合筛分曲线，却混合堆放；经过销售时的装料、运输，直到进搅拌站卸料、堆放，则大小颗粒进一步离析，在搅拌站的料堆，更谈不到“连续级配”。在混凝土拌和物搅拌时从料堆取料，也就更没有了级配。正确的是砂石场对砂石筛分后分级储存，分级销售；搅拌站分级购进后，进行级配试验，找到松堆密度最大或空隙率最小的级配， 在生产时，分级上料。前提是粒形要好，否则因针、片状颗粒会插入孔中而造成假象。粒形较好的石子达最优级配时可做到松堆空隙率不大于40%。欧盟标准的砂石是从最小粒径0mm（即1mm以下），到最大粒径一起连续级配的，然后按筛分结果分级仓储。分级范围按不同最大粒径来确定[3]。生产石子的下脚料，可做机制砂的原料，经筛分和整形后销售。搅拌站分级购买进场后，也分级仓储。生产拌和物时，分级上料。不仅可降低混凝土拌和物用水量，减少水泥用量，还可降低成本；更重要的是可提高混凝土的耐久性，减少因混凝土提前劣化的浪费，也是一种节能、降耗、减排。即使搅拌站没有要求，负责任的优秀砂石企业也应当坚持“培训顾客是销售的最高境界”[4]的原则，使用户了解什么是真正的连续级配砂石。然而，当前绝大部分采石场拒绝增加多个储料仓，对传统的伪“连续级配”销售方式，不仅不主动改变，而且强势地逼迫搅拌站接受。买不到合格的砂石， 不仅仍是当前提高混凝土质量并可持续发展的障碍，而且无论砂石行业还是工程建设都是对资源和能源更大的浪费。砂石行业着力于装备和规模的发展，并努力争取话语权，近年来逐渐得到国家的重视，使砂石行业发生了很大的变化，可喜可贺。但是地位再提高，也还是要服务于工程，服务于国家建设，不能囿于自己企业的利益，舍不得增加分级储存和销售的成本。这并不是个技术问题，首先是理念问题，责任问题。
从混凝土供货方的责任来说，也存在对原材料未能坚持要求的问题，同时也不愿为增加料仓而增加成本，宁舍质量不舍财。
（二）水泥的潜力
1997年我国水泥产量为5.1亿t。按制成水泥所用混合材平均为30%计，从低估计熟料约3.5亿t。当时吴中伟院士认为[5]，按照当时的速度发展，预计2010年我国水泥产量可能超过8亿t，届时地球大气层将因我国的水泥生产而增加CO2积累量可接近75亿t之多。他说，出路是不再增加熟料产量，保留在3亿t上下比较合理，配以平均为50% 的混合材，既能满足对水泥产量的需求，又可大大减少煅烧熟料的能耗及其所造成的CO2排放量，又能在新型干法窑节能的基础上更加减少能源的消耗，还可因工业废料的使用而有利于环境保护。然而，实际上2010年我国水泥产量总计为18.68亿t，比吴中伟院士当年预计的8亿t多了10亿t，2014年达到顶峰为24.76亿t。在为“去产能”而取消32.5水泥之后的2019年，水泥行业消耗的混合材减少了很多，而水泥产量达到了23.77亿t，水泥产能过剩的本质是熟料过剩。说明熟料产量至少并未减少。水泥界为了“去产能”而取消了32.5水泥，当前在市场上销售的主要是P·I（硅酸盐水泥）、P·II（掺不大于5%的混合材）和普通水泥（掺不大于20%的混合材），那么这23.77 亿t水泥中排放CO2的熟料基本上可占到80%，当年CO2排放量即约可达20亿t以上。这笔账是水泥行业的，如果在计算混凝土碳排量时又将其计入，则总排放量就重复地计算得出了令人误解的总量。水泥节能、降耗、减排是与混凝土供求双方的责任，应当各自从工艺、技术和管理上解决；原材料供应方的不力，不能由使用方承担。混凝土自有其自身应承担的责任。
文献[1]介绍了水泥节能、减碳排的3个途径：（1）使用代用燃料或生物质燃料；（2）减少熟料，代之以辅助性胶凝材料（Supplementary Cementitious Materials, SCMS） 生产混合水泥；（3）改造熟料矿物组成。
以上（1）和（2）这两种在欧洲都是已经在使用而行之有效的传统模式。在我国，对燃料，也在寻找代用品， 但是这个方法会增加较高成本，不利于水泥的大量应用；关于混合材的使用，欧美水泥标准给予了很大的空间[6]，而在我国，由于使用统一的水胶比检测不同水泥的强度，使混合材在水泥中潜在的作用不得发挥[7]，使水泥早期的标称强度低，再加上对掺混合材后的碳化问题理解有误，水泥企业正在放弃使用混合材。目前为了追求高强，虽然在水泥标准中仍保留有混合水泥，但主流的主要水泥集团实际上已无生产，而且为提高标称强度，将检测细度的80μm筛改为45μm筛，筛余量只设上限不设下限，不仅增大了能耗，而且增加了对保证混凝土质量很不利的因素。
对于（3），我国也有人在做类似这方面的研究，但是都不敢放弃C3S和C3A。文献[1]给出了一个新理念─改变硅酸盐熟料组成，取消C3S和C3A，代之以高活性C2S。
在传统硅酸盐水泥熟料主要4种矿物中，其碳足迹的顺序是：C4AF＜C2S＜C3A＜C3S。由图3可见，在较低温度下烧成的硅酸盐熟料中只有C2S，温度升高至出现熔融液，把一部分C2S转变成C3S，则需要补充石灰石，石灰石分解会生成44kg/t的CO2；所消耗燃料会排出28kg/t的CO2；C2S与CaO生成阿利特所消耗的燃料排放25kg/t的CO2。最后生成C3S+C2S的硅酸盐熟料，其排放的CO2总量增加13.6%；反过来，如果留下C2S，放弃C3S，则可以减少12% CO2的排放。但是代价是降低早期强度，使混合材的掺用受到限制。为了克服这个问题，文献[1]报道了一个熟料的新品种─贝利特-硫铝酸钙-铁相（Belite-Calcium Sulfoaluminate-Ferrite，缩写为BC AF）熟料。该熟料中以活性C2S取代C3S和C3A。以无水硫铝酸钙C4A3 提高早期强度是通过加入硫酸钙在和熟料共同粉磨成水泥水化后实现的，可以达到与硅酸盐水泥熟料相同的早期强度， 而CO2排放量却可显著地减少31%。
表2为典型的硅酸盐水泥熟料（Por t land Cement Clinker）、BC AF熟料、理论上的贝利特熟料理论能量和CO2的对比。
用石灰石和黏土为原料制作水硬性胶凝材料的历史，在1824年英国J.Aspdin申请硅酸盐水泥专利至少28年之前就已经开始。经历了200多年的应用和发展，历来被追求的就是高CS、高强、低能耗。由于工艺的不断进步，近100年来，硅酸盐水泥得到了很大的发展。图4为上世纪西方水泥的变化。近年来，我国水泥的相应变化与此大体一致，如下：常用水灰比（应为混凝土的）0.30～0.5；养护（大多数工民建）0～3天，重要工程3～7天；水泥细度（比表面积m2/kg）350～400；C3S（%） 57～60%；SO3含量（%）0～2.5。这样的演变，却使硅酸盐水泥越来越不好用，混凝土因而耐久性不可靠。更与节能、降耗相悖。
如今新型干法窑已使C3S含量达到极致，强度也随之达到极致，能耗也低到极致，却没有带来混凝土质量的提高，反而因产量大而成为耗能和排碳的大户。看来革新水泥熟料组成已成必要。然而，任何事物均利弊兼有， 对不同使用条件也得失并存。BC AF水泥的应用亦必然如此，故此尚需对其物化性质及其机理，尤其是长期性质，进行系统的实验研究，但在原理上，前途看好。
四、混凝土的出路才是水泥的出路
经过漫长发展的道路，至今发达国家水泥和混凝土的关系是相适应的，即水泥是为混凝土服务的。举例来看，美国的ACI是混凝土（包括材料和施工应用）的引领者，是美国唯一具有权威性的混凝土行业协会，PCA（波特兰水泥协会）与ACI合作的实例是协助制定混凝土有关的标准─ACI各专业委员会原则上每三年提供一篇技术发展现状报告，由PCA编成标准条文，交由ASTM组织专家讨论、修改、审定成文并出版；PCA所成立的施工技术实验室（Construction Technology Lab, CTL），也做混凝土实验研究，如防火混凝土；又如原新加坡双龙水泥公司的中心实验室在卖水泥时，向用户提供混凝土试配结果和有关软件。
再单说混凝土。我国从20世纪90年代才开始发展预拌混凝土，至今未形成产业，大多数搅拌站尚处于作坊式状态。总体产能过剩，造成买方市场。面对原材料供应方，是用户；面对混凝土拌和物的需求方，对方是用户，但是无论在谁面前都不得不低头。因为得不到原材料的支持和施工方的配合，混凝土质量很难保证。在目前人们只认强度和坍落度的状态下，顺利过关的试块即可为“合格”，却往往不知检测的是什么试块。造成这样的状态，混凝土方面自身的原因是技术水平低下，观念落后，有的甚至对水泥和混凝土的基本知识都很欠缺。例如水泥厂常因遇到一些无理要求而增加对用户不满，例如要求“水泥富裕强度要高，水化热要低，不要磨得太细”，殊不知，水泥的高强靠的就是磨细。
前几年，有些水泥集团为了解决销售渠道问题，纷纷并购搅拌站，但是混凝土“版块”仍然独立核算。对水泥企业来说，这种并购不仅没形成产业链，反而成为“食之无味，弃之不得”的负担。
换一种思维方法可以发现，以上种种现状存在的原因就是在新形势下，水泥-混凝土-施工分离的生产关系出了问题，正在阻碍生产力的发展！
生产关系的内涵一是资本的占有制，二是利润的分配制。在生产力发展伊始，生产关系对生产力起促进作用；生产力继续发展到一定程度，生产关系就会阻碍生产力的发展，必须进行改革和突破，才能进一步解放生产力。水泥和混凝土生产关系改革的方法就是把混凝土当成自己一部分的车间，统筹、管理与核算。水泥厂的粉磨车间做成按混凝土需要的水泥制成车间，避免在搅拌站使用采购的水泥时因混合材的不明而存在的弊端，把后续配制混凝土的掺和料作为水泥混合材在水泥生产时掺加得以发挥其潜力；把搅拌站做成混凝土拌和物试配与制备车间，专心于混凝土拌和物的试配，用好骨料和水：（1）以分级入仓的骨料做连续级配的实验；（2）按混凝土拌和物配合比设计原则确定最优的配合比；（3）按保证拌和物匀质性的目标优化搅拌工艺，做好拌和物制备的过程控制。此外，水泥企业的矿山可以同时建立骨料加工车间，用低品位石灰石生产人工砂石，做好分级供应。最后成立一个混凝土拌和物成型工艺的技术队伍承包建设工程中的混凝土施工，避免混凝土拌和物购销双方屡屡不止的纠纷，保证混凝土最终产品的质量。
改变生产关系首先要转变思维方法和观念，把混凝土纳入水泥工艺流程原有体系后，会改变混凝土的社会地位，成为一个完整产业的一份子，融入混凝土结构工程原材料的整个体系。势必有利于社会节能、降耗、减排，降低成本，提高建设工程质量。
生产关系的改革是最高层次的改革，当形成了各种利益集团之后，生产关系的改革必然会触及某些既得利益者的利益，这是以获取最大利益为目的的资本本性所致。最广大人民的利益才是最高利益，除此之外没有不可触及的利益。另一方面，因传统思维的主导，历史上任何的重大变革都会遇到强烈的阻力，而且从理论到实践必然会有差距，需要假以时日，具体问题具体进行分析研究和试行。
期望这样从原材料到最终产品完整体系的实现，能使水泥、混凝土走出当前的瓶颈，能够从根本上、尽最大可能地使我国土木建设工程质量有更大的提高，有更明显的节能、降耗、减排效果，健康地可持续发展。
参考文献：
[1] Referencein Laurent Barcelo·John Kline·Gunther Walenta·Ellis Gartner, Cement and carbon, mATERIALS AND sTRUCTURES (2014) 47:1055-1065DOI 10.1617/s11527-013- 0114-5: fromHammond G, Jones C (2011) Embodied carbon. Theinventory of carbon and energy (ICE), BSRIA. ISBN 978-0- 86022-703-8.
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[4] 梅晓鹏. 蒙牛管理模式[M]. 武汉: 武汉大学出版社, 2007.
[5] 吴中伟, 廉慧珍, 高性能混凝土[M]. 北京: 中国铁道出版社, 1999 (第一次印刷), 2002 (第二次印刷).
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(作者：廉慧珍；师海霞 )
文章热词：混凝土；能耗；碳排放
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