■中國工程院院士、東南大學首席教授 劉加平
人類活動所造成的氣候變暖速度是2000年來前所未有的，僅就CO?排放來說，從1900年到2019年CO?濃度的增加速率，是過去5600萬年來最高增速的4倍。為避免全球氣候變暖對人和地球的致命影響，《巴黎協定》中將全球平均氣溫上升控制在2℃以內，并努力限制在1.5℃。針對這一目標計算碳排放，到2030年碳排放要比2010年減少45%，并在2050年達到凈零排放。中國CO?排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和。如期實現碳達峰、碳中和目標，就要求我們必須極大地推動我國能源結構調整和產業(yè)結構變革。
全球范圍內交通基礎設施體量巨大，碳排放量占比高?！?021年全球建筑和建造業(yè)狀況報告》中指出，2020年全球交通基礎設施碳排放占總排放量的23%。
截至2021年年底，我國現有公路橋梁96萬余座，其中鋼筋混凝土橋梁數量占比超過90%?！?021年交通運輸行業(yè)發(fā)展統計公報》中顯示交通建材隱含的碳排放量中，水泥占93.5%、鋼材占3.6%、瀝青占1.6%、砂礫占1.2%。2020年我國水泥產量23.8億噸，熟料產量15.8億噸，生產過程CO?排放13.75億噸，約占我國CO?總排放量的13.4%。
我國鋼筋混凝土使用量位居全球第一，占比全球一半以上，所以探索橋梁混凝土低碳發(fā)展新路徑，是橋梁可持續(xù)發(fā)展的重大需求。
混凝土低碳化
是橋梁可持續(xù)發(fā)展的重要途徑
混凝土材料低碳化是實現橋梁低碳、可持續(xù)發(fā)展的重要途徑。
首先，從混凝土材料全壽命周期碳足跡計算上講，要真正實現“三步走”的全生命周期閉環(huán)。第一步起步階段“從搖籃到大門”，計算從原材料進廠、混凝土生產到混凝土出廠的碳足跡；第二步“從搖籃到墳墓”，即額外考慮混凝土結構的施工服役與拆除階段的碳足跡；第三步“從搖籃到搖籃”，考慮混凝土材料再生回收的碳足跡。
我國斜拉橋、懸索橋雖取得了長足進步和突破，但在碳足跡計算方面，我國基礎數據庫仍處于起步階段，現有的模型和數據庫主要來自歐盟與美國，一些基礎研究還是任重道遠的。
此外，現有混凝土的碳足跡計算模型的邊界主要為“從搖籃到大門”，若只考慮混凝土材料本身所產生的碳排放，并未考慮材料性能提升后，結構服役壽命延長、結構形式優(yōu)化，以及新型低碳水泥、混凝土長期碳化等帶來的減排效應，就好比“閉門造車”。
我們需要對現有模型進行擴充，從材料層次提升到結構層次，建立考慮結構性能與服役壽命的低碳混凝土碳足跡計算模型。然后，基于碳足跡計算模型及碳排放數據，結合關鍵技術突破，比如鋼筋混凝土高耐久化、混凝土高性能化、原材料低碳化和混凝土制品低能耗養(yǎng)護等技術手段來降低橋梁混凝土結構的總體碳排放。
鋼筋混凝土高耐久化
如果鋼筋混凝土服役壽命延長一倍，全國碳排放的比重將降低15.9%，其中混凝土占比11.3%、鋼筋占比4.6%。目前我們采用“隔、阻、緩、延”技術體系來延長混凝土的服役壽命。
“隔”即在混凝土表面涂層封面。在橋梁領域主要為兩個方面，其一是大氣區(qū)，其二是水位變化區(qū)。大氣區(qū)主要通過強滲透、耐老化、抗剝落的無機防護材料，滲透到混凝土表面或內部7～10mm，使氯離子擴散系數降低約78%、表面氯離子濃度降低37%、碳化深度降低60%以上，從而達到透氣不透水、阻隔有害介質侵入的效果，且整個服役過程不產生表面剝落。水位變化區(qū)主要通過抗沖磨技術解決海浪沖刷和干濕交替帶來的腐蝕破壞。目前來說，聚脲是較好的耐腐蝕材料，其自身抗沖磨性能很好，但與混凝土變形不一致，往往會產生剝落。我們的技術能夠將潮濕基面的附著力提高到3MPa以上，從而提升浪濺區(qū)混凝土抵抗沖磨和介質滲透能力。
“阻”即阻礙有害介質在混凝土中的傳輸。混凝土收縮開裂會導致滲透系數急劇加大，加速有害介質、空氣與水分傳輸，加劇鋼筋腐蝕，從而嚴重降低混凝土結構服役壽命。因此，需要針對不同服役環(huán)境、結構特征與材料特性“對癥下藥”，通過定向、高效降低混凝土不同階段的多種收縮控制裂縫，實現剛性防水與結構同壽命。例如，常泰長江大橋中的高強大體積索塔，其混凝土開裂風險很大。因此，工程采用了水利大壩工程常用、在交通運輸工程罕用的低熱水泥，同時結合分階段全過程收縮開裂抑制技術，降低開裂風險系數，保障混凝土結構的服役壽命?！白琛钡牧硪环矫?，在沿海區(qū)域的結構混凝土中加入侵蝕抑制材料，提升混凝土抗介質滲透性能，從而提升結構服役壽命。
“緩”主要是控制鋼筋臨界氯離子濃度。我們利用有機雜原子聚合技術，多位點吸附鋼筋阻銹材料，實現鋼筋阻銹提升3～5倍，結構服役壽命超100年，目前，已突破3.5%以上高氯鹽環(huán)境鋼筋點蝕抑制難題。
“延”是鋼筋發(fā)生銹蝕后進行無損修復，從而延長服役壽命。我們采用微乳液制備技術開發(fā)自遷移阻銹材料，涂刷在混凝土表層后通過毛細吸附快速滲透，定向遷移，并在鋼筋表面形成吸附膜，隔離或競爭性取代鋼筋表面吸附氯離子，實現鋼筋混凝土的無損修復。鋼筋阻銹與修復技術已在港珠澳大橋珠?？诎?、深中通道六標承臺、貴廣高鐵思賢窖特大橋等重大橋梁工程中得到了良好應用。
混凝土高性能化
混凝土高性能化是指通過提高混凝土的力學性能，減小結構斷面、減輕構筑物自重，從而減少結構中水泥混凝土的用量，降低碳排放。我們的技術路徑是從分子和微納觀層次，調控混凝土漿體、基體和界面過渡區(qū)的微結構，降低水泥用量的同時實現高強和高韌的統一。
首先，我們針對超高性能混凝土復雜材料組分分散問題，研發(fā)了超分散聚合物，減水率可達50%以上，進而在降低水泥用量的條件下維持強度和流動性，CO?直接排放可降低34%以上。
其次，通過納米雜化材料，實現常溫養(yǎng)護工藝下超高性能混凝土的超高強度、高彈模和低徐變，為輕質大跨混凝土結構的強度和剛度匹配提供技術基礎。同時，采用鏈棒狀聚合物和微細高強鋼纖維增韌技術，含粗骨料超高性能混凝土抗拉強度突破10MPa，拉伸應變提升10倍，實現了超高強與超高韌的統一。在結構試驗中混凝土板彎曲跨中撓度可超20cm，混凝土梁1200萬次疲勞未開裂，顯著提升了輕質大跨混凝土結構的抗裂和抗疲勞能力。
目前該項技術已成功應用于南京長江第五大橋工程中的粗骨料超高性能混凝土橋面板。南京長江第五大橋是世界首座輕型鋼－UHPC結構斜拉橋，采用粗骨料超高性能混凝土橋面板后，其組合梁的用鋼量減少20%，自重降低30%，減少CO?直接排放約2.5萬噸，滿足節(jié)能減碳發(fā)展要求，并促進了橋梁結構體系輕量化創(chuàng)新。
此外，超高性能混凝土技術還應用于上海松浦公鐵兩用大橋改擴建工程。該工程采用粗骨料超高性能混凝土橋面板作用改擴建材料，在大橋下部結構不變的基礎上，上部橋面由12m拓寬成24.5m，提升交通能力40%，延長橋梁使用年限50年以上，創(chuàng)新了既有橋梁維修加固新思路，節(jié)省造價約1.5億元，減排效益顯著。
后面我們還要做混凝土的超高強韌化。通過構建膠凝相鍵合強化－界面交聯增韌－多尺度纖維分形韌化技術，突破了性能極限，顯著提升鋼筋與混凝土協同變形能力，突破現有配筋混凝土結構抗拉和韌性的基本設計理念。
水泥混凝土原材料低碳化
原材料的低碳化主要從水泥與熟料的生產上實現。水泥熟料的碳排放主要來自：煅燒過程中碳酸鹽的分解；煅燒過程中燃料燃燒；粉磨、冷卻、運輸過程中消耗的電能。因此，可以從提高水泥生產能效、使用可替代燃料、減少熟料用量、開發(fā)低碳膠凝材料、混凝土再生利用五個方面來降低水泥碳排放。
首先，隨著新型干法水泥生產工藝的推廣，我國在水泥生產能耗已經處于國際領先水平，達到110kg標準煤/t.cl，減排約33kg CO?/t.cl。
其次，目前全國已有20多個省份建成或正在推進建設水泥窯協同處置垃圾、污泥、危險廢棄物等生產線150條，處置能力為1266萬噸。每替代1%的化石燃料（約1.1kg標準煤），減排2.49～2.58kg CO?/t.cl。
再者，通過大量采用高爐礦渣、粉煤灰、鋼渣等工業(yè)固廢作為混合材，降低水泥中熟料的用量，每降低1%熟料，可減排8.5kg CO?/t.cl。目前中國的熟料系數為0.6～0.65，遠低于國際平均值0.78與歐盟平均值0.737。未來通過繼續(xù)降低熟料系數至0.55左右，減排80～85kg CO?/t.cl。
新型低碳水泥同樣具有一定減排潛力，我們目前也參與到國際上較為熱門的LC3水泥研究工作，并在國內鎮(zhèn)江也建立了示范生產線和應用體系。
最后，再生混凝土的資源化利用同樣是降低原材料碳排放的重要途徑。再生混凝土可加工用作再生骨料和再生微粉，作為原材料再次使用，從而減少水泥用量，降低碳排放。
未來隨著我國能源結構調整，基于煤電的傳統礦物摻合料數量將急劇減少，我們需要高效利用富鋁的工業(yè)固廢，拓展硅鋁酸鹽膠凝體系，解決輔助膠凝材料無材可用的問題。
混凝土制品低能耗制備
傳統混凝土預制構件采用蒸汽養(yǎng)護來提高早期強度，加快磨具周轉，但是蒸汽養(yǎng)護成本高、污染大、能耗與碳排放高。因此，我們通過開發(fā)系列早強功能材料，形成針對不同階段的水化歷程成套調控技術，加速硅酸鹽水泥早期水化進程，促進混凝土早期強度快速發(fā)展，免去蒸汽養(yǎng)護。同時采用早強功能材料解決了傳統技術降低流動性、后期強度和耐久性難題，顯著提升混凝土制品的服役性能。以管樁混凝土為例，采用超早強技術可實現管樁泵送免壓蒸生產，較傳統技術降低生產能耗約70%，直接減少單位產品碳排放86kg/m3。
未來我們要做什么？
全球水泥和混凝土協會（GCCA）提出的2050氣候愿景中指出，自1990年以來，全球每噸水泥的CO?排放量已經減少了19.2%。未來，我們通過采用低碳水泥、可再生能源、碳捕集等變更性技術，進一步實現混凝土的碳中和。
實現混凝土碳中和的技術途徑主要包括：（1）最大限度協同處置其他行業(yè)的廢棄物，減少水泥生產中的化石原料排放；（2）利用再生能源，減少和消除間接能源排放；（3）減少水泥中的熟料及混凝土中水泥的用量，提高建筑物中混凝土的使用效率；（4）充分利用再生混凝土骨料；（5）大規(guī)模部署碳捕集技術來減少工藝流程的碳排放；（6）通過再碳化的方式提升既有混凝土建筑的CO?吸收能力。
此外，我們希望通過創(chuàng)建低碳膠凝材料新體系，研發(fā)高強韌水泥基材料，減少鋼筋混凝土用量，延長構筑物使用壽命；將人工智能與混凝土材料相結合，建立新一代混凝土的高通量大數據庫，形成數據驅動的智能設計與精細制備方法，實現混凝土系統尋優(yōu)與材盡其用；通過智能振搗、電激養(yǎng)護和微波養(yǎng)護等技術，實現混凝土材料高效賦能。
低碳混凝土，未來可期。
