■中國工程院院士、東南大學(xué)首席教授 劉加平
人類活動(dòng)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(xié)定》中將全球平均氣溫上升控制在2℃以內(nèi)，并努力限制在1.5℃。針對這一目標(biāo)計(jì)算碳排放，到2030年碳排放要比2010年減少45%，并在2050年達(dá)到凈零排放。中國CO?排放力爭于2030年前達(dá)到峰值，努力爭取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和。如期實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，就要求我們必須極大地推動(dòng)我國能源結(jié)構(gòu)調(diào)整和產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)變革。
全球范圍內(nèi)交通基礎(chǔ)設(shè)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(bào)告》中指出，2020年全球交通基礎(chǔ)設(shè)施碳排放占總排放量的23%。
截至2021年年底，我國現(xiàn)有公路橋梁96萬余座，其中鋼筋混凝土橋梁數(shù)量占比超過90%?！?021年交通運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計(jì)公報(bào)》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(chǎn)量23.8億噸，熟料產(chǎn)量15.8億噸，生產(chǎn)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(shí)現(xiàn)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(jì)算上講，要真正實(shí)現(xiàn)“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(jì)算從原材料進(jìn)廠、混凝土生產(chǎn)到混凝土出廠的碳足跡；第二步“從搖籃到墳?zāi)埂?，即額外考慮混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)步和突破，但在碳足跡計(jì)算方面，我國基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫仍處于起步階段，現(xiàn)有的模型和數(shù)據(jù)庫主要來自歐盟與美國，一些基礎(chǔ)研究還是任重道遠(yuǎn)的。
此外，現(xiàn)有混凝土的碳足跡計(jì)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(chǎn)生的碳排放，并未考慮材料性能提升后，結(jié)構(gòu)服役壽命延長、結(jié)構(gòu)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(yīng)，就好比“閉門造車”。
我們需要對現(xiàn)有模型進(jìn)行擴(kuò)充，從材料層次提升到結(jié)構(gòu)層次，建立考慮結(jié)構(gòu)性能與服役壽命的低碳混凝土碳足跡計(jì)算模型。然后，基于碳足跡計(jì)算模型及碳排放數(shù)據(jù)，結(jié)合關(guān)鍵技術(shù)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(hù)等技術(shù)手段來降低橋梁混凝土結(jié)構(gòu)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(shù)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(lǐng)域主要為兩個(gè)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(qiáng)滲透、耐老化、抗剝落的無機(jī)防護(hù)材料，滲透到混凝土表面或內(nèi)部7～10mm，使氯離子擴(kuò)散系數(shù)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(dá)到透氣不透水、阻隔有害介質(zhì)侵入的效果，且整個(gè)服役過程不產(chǎn)生表面剝落。水位變化區(qū)主要通過抗沖磨技術(shù)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(huì)產(chǎn)生剝落。我們的技術(shù)能夠?qū)⒊睗窕娴母街μ岣叩?MPa以上，從而提升浪濺區(qū)混凝土抵抗沖磨和介質(zhì)滲透能力。
“阻”即阻礙有害介質(zhì)在混凝土中的傳輸?；炷潦湛s開裂會(huì)導(dǎo)致滲透系數(shù)急劇加大，加速有害介質(zhì)、空氣與水分傳輸，加劇鋼筋腐蝕，從而嚴(yán)重降低混凝土結(jié)構(gòu)服役壽命。因此，需要針對不同服役環(huán)境、結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)剛性防水與結(jié)構(gòu)同壽命。例如，常泰長江大橋中的高強(qiáng)大體積索塔，其混凝土開裂風(fēng)險(xiǎn)很大。因此，工程采用了水利大壩工程常用、在交通運(yùn)輸工程罕用的低熱水泥，同時(shí)結(jié)合分階段全過程收縮開裂抑制技術(shù)，降低開裂風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)，保障混凝土結(jié)構(gòu)的服役壽命?！白琛钡牧硪环矫?，在沿海區(qū)域的結(jié)構(gòu)混凝土中加入侵蝕抑制材料，提升混凝土抗介質(zhì)滲透性能，從而提升結(jié)構(gòu)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(jī)雜原子聚合技術(shù)，多位點(diǎn)吸附鋼筋阻銹材料，實(shí)現(xiàn)鋼筋阻銹提升3～5倍，結(jié)構(gòu)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(diǎn)蝕抑制難題。
“延”是鋼筋發(fā)生銹蝕后進(jìn)行無損修復(fù)，從而延長服役壽命。我們采用微乳液制備技術(shù)開發(fā)自遷移阻銹材料，涂刷在混凝土表層后通過毛細(xì)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(shí)現(xiàn)鋼筋混凝土的無損修復(fù)。鋼筋阻銹與修復(fù)技術(shù)已在港珠澳大橋珠?？诎丁⑸钪型ǖ懒鶚?biāo)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(yīng)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(xué)性能，減小結(jié)構(gòu)斷面、減輕構(gòu)筑物自重，從而減少結(jié)構(gòu)中水泥混凝土的用量，降低碳排放。我們的技術(shù)路徑是從分子和微納觀層次，調(diào)控混凝土漿體、基體和界面過渡區(qū)的微結(jié)構(gòu)，降低水泥用量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)和高韌的統(tǒng)一。
首先，我們針對超高性能混凝土復(fù)雜材料組分分散問題，研發(fā)了超分散聚合物，減水率可達(dá)50%以上，進(jìn)而在降低水泥用量的條件下維持強(qiáng)度和流動(dòng)性，CO?直接排放可降低34%以上。
其次，通過納米雜化材料，實(shí)現(xiàn)常溫養(yǎng)護(hù)工藝下超高性能混凝土的超高強(qiáng)度、高彈模和低徐變，為輕質(zhì)大跨混凝土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度匹配提供技術(shù)基礎(chǔ)。同時(shí)，采用鏈棒狀聚合物和微細(xì)高強(qiáng)鋼纖維增韌技術(shù)，含粗骨料超高性能混凝土抗拉強(qiáng)度突破10MPa，拉伸應(yīng)變提升10倍，實(shí)現(xiàn)了超高強(qiáng)與超高韌的統(tǒng)一。在結(jié)構(gòu)試驗(yàn)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(zhì)大跨混凝土結(jié)構(gòu)的抗裂和抗疲勞能力。
目前該項(xiàng)技術(shù)已成功應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jìn)了橋梁結(jié)構(gòu)體系輕量化創(chuàng)新。
此外，超高性能混凝土技術(shù)還應(yīng)用于上海松浦公鐵兩用大橋改擴(kuò)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(kuò)建材料，在大橋下部結(jié)構(gòu)不變的基礎(chǔ)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(jià)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(qiáng)韌化。通過構(gòu)建膠凝相鍵合強(qiáng)化－界面交聯(lián)增韌－多尺度纖維分形韌化技術(shù)，突破了性能極限，顯著提升鋼筋與混凝土協(xié)同變形能力，突破現(xiàn)有配筋混凝土結(jié)構(gòu)抗拉和韌性的基本設(shè)計(jì)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(chǎn)上實(shí)現(xiàn)。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(yùn)輸過程中消耗的電能。因此，可以從提高水泥生產(chǎn)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(gè)方面來降低水泥碳排放。
首先，隨著新型干法水泥生產(chǎn)工藝的推廣，我國在水泥生產(chǎn)能耗已經(jīng)處于國際領(lǐng)先水平，達(dá)到110kg標(biāo)準(zhǔn)煤/t.cl，減排約33kg CO?/t.cl。
其次，目前全國已有20多個(gè)省份建成或正在推進(jìn)建設(shè)水泥窯協(xié)同處置垃圾、污泥、危險(xiǎn)廢棄物等生產(chǎn)線150條，處置能力為1266萬噸。每替代1%的化石燃料（約1.1kg標(biāo)準(zhǔn)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(shù)為0.6～0.65，遠(yuǎn)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(shù)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(nèi)鎮(zhèn)江也建立了示范生產(chǎn)線和應(yīng)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(jié)構(gòu)調(diào)整，基于煤電的傳統(tǒng)礦物摻合料數(shù)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(tǒng)混凝土預(yù)制構(gòu)件采用蒸汽養(yǎng)護(hù)來提高早期強(qiáng)度，加快磨具周轉(zhuǎn)，但是蒸汽養(yǎng)護(hù)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(qiáng)功能材料，形成針對不同階段的水化歷程成套調(diào)控技術(shù)，加速硅酸鹽水泥早期水化進(jìn)程，促進(jìn)混凝土早期強(qiáng)度快速發(fā)展，免去蒸汽養(yǎng)護(hù)。同時(shí)采用早強(qiáng)功能材料解決了傳統(tǒng)技術(shù)降低流動(dòng)性、后期強(qiáng)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(qiáng)技術(shù)可實(shí)現(xiàn)管樁泵送免壓蒸生產(chǎn)，較傳統(tǒng)技術(shù)降低生產(chǎn)能耗約70%，直接減少單位產(chǎn)品碳排放86kg/m3。
未來我們要做什么？
全球水泥和混凝土協(xié)會(huì)（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(jīng)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(shù)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)混凝土的碳中和。
實(shí)現(xiàn)混凝土碳中和的技術(shù)途徑主要包括：（1）最大限度協(xié)同處置其他行業(yè)的廢棄物，減少水泥生產(chǎn)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(shù)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(qiáng)韌水泥基材料，減少鋼筋混凝土用量，延長構(gòu)筑物使用壽命；將人工智能與混凝土材料相結(jié)合，建立新一代混凝土的高通量大數(shù)據(jù)庫，形成數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的智能設(shè)計(jì)與精細(xì)制備方法，實(shí)現(xiàn)混凝土系統(tǒng)尋優(yōu)與材盡其用；通過智能振搗、電激養(yǎng)護(hù)和微波養(yǎng)護(hù)等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)混凝土材料高效賦能。
低碳混凝土，未來可期。
