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混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?

時間:2022年04月14日信息來源:混凝土世界 點擊:

  人法地,地法天,天法道,道法自然
─老子:《道德經》
 
  引《道德經》中這一句名言,是想說明,人類的行為應該遵守大自然的規律,長消有序,才能生生不息。地球給予人類賴以生活的所有條件,能源和資源的消耗,以及污染物的排放是社會發展中必然會發生的。但是數十億年形成的地球能源和資源并不會在短時期內再生,人類對自身賴以生存的大地應當懷有敬畏之心,精打細算,給大地以休養生息的時間,以平衡消耗和修復的運動。由于大自然的規律,在地球上的不同地域,氣候條件和資源與能源的分布有很大差別,自從人類形成不同的利益集團,就開始為占有這些資源而相互爭斗,更造成正常消費以外的浪費;我們曾誤以為,我國地大物博,資源取之不盡用之不竭,沒想到,近數年來對資源和能源的消耗已出現透支的現象。節能、降耗、減排是人類可持續發展重要的戰略需要,已刻不容緩。
  資源透支現象的出現,一方面是需要面對資源缺少珍惜而盲目建設的后果;另一方面出自沒有注重科學使用而造成浪費。后者比如當前C30混凝土用水量能做到175kg/m3的已經越來越少了,超過180kg/m3的已非常罕見,以致混凝土頻頻出現開裂的現象,使混凝土結構耐久性難以保證;質量不好的混凝土,給子孫后代留下大量將來需要拆除或修補改建的負擔,更會加重對能源和資源消耗,以及排污的壓力。全民增強節能、降耗、減排的意識,并且行動起來,已迫在眉睫。
  在此討論兩個問題:混凝土是高耗能和高CO2排放的產業嗎?混凝土是否還有進一步節能、降耗、減排的潛力?
  一、各種材料能耗和碳排放的比較
  一般來說,產業的能耗和碳排放應從最上游源頭開始到最終產品疊加計算,例如鋼材,從礦山開采、選礦、煉鐵、煉鋼,直到把鋼錠加工成型鋼、盤條、鋼板等整個生產的全過程。對混凝土材料,亦理應如此。但混凝土的主要原材料水泥和砂石生產的能耗和碳排,甚至產品質量,都是混凝土業所不能控制的,無法承擔其耗、排的責任。然而,當前水泥和混凝土是各自獨立生產和經營核算的,自然都像所有獨立生產和經營的材料一樣,從原材料到最終產品全過程的足跡來計算其碳排量。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  引自文獻[1]的圖1是由一個無黨派、非營利的獨立組織世界資源協會所編制的,是對以CO2當量表示的全球溫室氣體來源的分析,顯示按不同材料每1kg所隱含的能量與隱含的CO2排放量;炷梁退嘧鳛閮蓚獨立產業計算,但都包含碳足跡。由圖1可見,在全部主要的建造材料中,混凝土的潛在能耗與CO2排放量是最低的。就連一直在承受著“耗能大戶”名聲壓力的水泥產業,在圖1中所見其每1kg產量的碳排和也比最碳排量的其他產品的低到1個數量級;而每1kg素混凝土的砌塊碳排量只有60g,鋼筋混凝土的也只有200g,塑料的則達約10000kg。各種材料的單位碳排量與能耗呈線性正相關。
  與其他大多數材料相比,由于成本低、原材料的易得性、可加工性,以及多種優良的使用性能(見表1),混凝土是現今世界上使用最廣泛的建筑材料。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  由表1可見,在本質上,按每1kg產量計算和對比,混凝土具有很低的能耗和碳足跡;與水泥混凝土有關的全球CO2高排放量,當然不是來源于該材料本征意義上的隱含的CO2值。
  二、能耗和碳排放應怎樣計算和比較?
  按制成相同承載力、相同高度的柱子,混凝土和傳統結構用材料─磚石、鋼材相比,如圖2所示,折算成油耗,承受1t荷載的1m高柱子,混凝土能耗不到100L,磚的超過200L;鋼的則約達到350L。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  與混凝土相比,水泥的高能耗和高排放毋庸置疑,至于為什么混凝土或水泥制品會被誤認為是高能耗與高排碳產業,主要的原因應當是其用量所要求的產量之大,在建材行業無可比擬,因而在碳足跡總的能耗和碳排放量方面或從全生命周期來看,就會首當其沖。
  混凝土用途廣泛,當前我國混凝土產量很難統計。水泥是只為混凝土(包括預拌、路拌、預制構件、砂漿、砌塊等)而生產的,不能長期庫存,從水泥產量可以計算出混凝土的使用量。有記載并報道的2019年我國水泥產量為23.3億t,以每1m3混凝土用水泥300kg計,則混凝土產量少說也有70億m3,即使單位耗能和碳排量都很低,而這樣巨大的總量自然可觀。但是如果沒有大規模建設量的需要,混凝土絕不可能生產這么多。
  按獨立的產業計算還是按整個產業鏈計算?按單耗、單排還是按總耗、總排計算?計算結果當然不同,目的也不同。統計產品的能耗和碳排量的目的是整體考量該產品生產的投入產出比,利弊與得失,對產業布局做出合理的決策。各種產品科學的計算應該是在同一基點上進行。圖1所示的基點是產品的單位產量,有利于督促各產品生產者致力于盡量降低自己的能耗與碳排量;圖2所示的基點是用于達到相同功能的相同對象,這是最合理的基點,因為材料被制成結構構件才是混凝土的最終產品。
  三、混凝土節能、降耗、減排的潛力
  這里只是指使用硅酸鹽水泥和砂石的混凝土,從單位產量能耗和碳排量,即材料全部生產過程來看,混凝土并非高耗能和高碳排行業,無論怎樣計算,混凝土的能耗和CO2排放都非常低,如果不計原材料,混凝土拌和物的試驗、攪拌、運輸等各環節的單位電耗和碳排當然都更低,幾乎可以忽略,但是為了對總量的貢獻,進一步繼續挖掘,也還有未盡之潛力,其中絕大部分來自于原料的水泥和砂石。
 。ㄒ唬┥笆|量仍然是混凝土質量的一個重要障礙
  實際上,注重提高混凝土的質量和節能、降耗、減排是關聯的。對于混凝土拌和物,理想的質量是在滿足設計的強度和施工性能要求的前提下,使用最低的用水量。用水量低意味著在按強度確定的水膠比下,漿骨比最小,即可得到盡量小的開裂敏感性,滿足混凝土結構耐久性要求,同時用盡量低的水泥用量,間接達到降低能耗、資源消耗和CO2排放的目的。據至今的了解,目前我國混凝土拌和物單方用水量始終居高不下。國外C30混凝土拌和物用水量的先進記錄為130kg/m3,我國則一般都在175kg/m3以上,C50混凝土因水膠比較低而在165kg/m3以上。只有個別做得好的,已做到C30的150kg/m3和C50的147kg/m3。我國混凝土拌和物用水量居高不下的主要原因在于砂石的質量。
  眾所周知,在母巖選定后,砂石質量主要是級配和粒形。關于級配,長久以來,都是在采石場做到符合篩分曲線,卻混合堆放;經過銷售時的裝料、運輸,直到進攪拌站卸料、堆放,則大小顆粒進一步離析,在攪拌站的料堆,更談不到“連續級配”。在混凝土拌和物攪拌時從料堆取料,也就更沒有了級配。正確的是砂石場對砂石篩分后分級儲存,分級銷售;攪拌站分級購進后,進行級配試驗,找到松堆密度最大或空隙率最小的級配, 在生產時,分級上料。前提是粒形要好,否則因針、片狀顆粒會插入孔中而造成假象。粒形較好的石子達最優級配時可做到松堆空隙率不大于40%。歐盟標準的砂石是從最小粒徑0mm(即1mm以下),到最大粒徑一起連續級配的,然后按篩分結果分級倉儲。分級范圍按不同最大粒徑來確定[3]。生產石子的下腳料,可做機制砂的原料,經篩分和整形后銷售。攪拌站分級購買進場后,也分級倉儲。生產拌和物時,分級上料。不僅可降低混凝土拌和物用水量,減少水泥用量,還可降低成本;更重要的是可提高混凝土的耐久性,減少因混凝土提前劣化的浪費,也是一種節能、降耗、減排。即使攪拌站沒有要求,負責任的優秀砂石企業也應當堅持“培訓顧客是銷售的最高境界”[4]的原則,使用戶了解什么是真正的連續級配砂石。然而,當前絕大部分采石場拒絕增加多個儲料倉,對傳統的偽“連續級配”銷售方式,不僅不主動改變,而且強勢地逼迫攪拌站接受。買不到合格的砂石, 不僅仍是當前提高混凝土質量并可持續發展的障礙,而且無論砂石行業還是工程建設都是對資源和能源更大的浪費。砂石行業著力于裝備和規模的發展,并努力爭取話語權,近年來逐漸得到國家的重視,使砂石行業發生了很大的變化,可喜可賀。但是地位再提高,也還是要服務于工程,服務于國家建設,不能囿于自己企業的利益,舍不得增加分級儲存和銷售的成本。這并不是個技術問題,首先是理念問題,責任問題。
  從混凝土供貨方的責任來說,也存在對原材料未能堅持要求的問題,同時也不愿為增加料倉而增加成本,寧舍質量不舍財。
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  1997年我國水泥產量為5.1億t。按制成水泥所用混合材平均為30%計,從低估計熟料約3.5億t。當時吳中偉院士認為[5],按照當時的速度發展,預計2010年我國水泥產量可能超過8億t,屆時地球大氣層將因我國的水泥生產而增加CO2積累量可接近75億t之多。他說,出路是不再增加熟料產量,保留在3億t上下比較合理,配以平均為50% 的混合材,既能滿足對水泥產量的需求,又可大大減少煅燒熟料的能耗及其所造成的CO2排放量,又能在新型干法窯節能的基礎上更加減少能源的消耗,還可因工業廢料的使用而有利于環境保護。然而,實際上2010年我國水泥產量總計為18.68億t,比吳中偉院士當年預計的8億t多了10億t,2014年達到頂峰為24.76億t。在為“去產能”而取消32.5水泥之后的2019年,水泥行業消耗的混合材減少了很多,而水泥產量達到了23.77億t,水泥產能過剩的本質是熟料過剩。說明熟料產量至少并未減少。水泥界為了“去產能”而取消了32.5水泥,當前在市場上銷售的主要是P·I(硅酸鹽水泥)、P·II(摻不大于5%的混合材)和普通水泥(摻不大于20%的混合材),那么這23.77 億t水泥中排放CO2的熟料基本上可占到80%,當年CO2排放量即約可達20億t以上。這筆賬是水泥行業的,如果在計算混凝土碳排量時又將其計入,則總排放量就重復地計算得出了令人誤解的總量。水泥節能、降耗、減排是與混凝土供求雙方的責任,應當各自從工藝、技術和管理上解決;原材料供應方的不力,不能由使用方承擔;炷磷杂衅渥陨響袚呢熑。
  文獻[1]介紹了水泥節能、減碳排的3個途徑:(1)使用代用燃料或生物質燃料;(2)減少熟料,代之以輔助性膠凝材料(Supplementary Cementitious Materials, SCMS) 生產混合水泥;(3)改造熟料礦物組成。
  以上(1)和(2)這兩種在歐洲都是已經在使用而行之有效的傳統模式。在我國,對燃料,也在尋找代用品, 但是這個方法會增加較高成本,不利于水泥的大量應用;關于混合材的使用,歐美水泥標準給予了很大的空間[6],而在我國,由于使用統一的水膠比檢測不同水泥的強度,使混合材在水泥中潛在的作用不得發揮[7],使水泥早期的標稱強度低,再加上對摻混合材后的碳化問題理解有誤,水泥企業正在放棄使用混合材。目前為了追求高強,雖然在水泥標準中仍保留有混合水泥,但主流的主要水泥集團實際上已無生產,而且為提高標稱強度,將檢測細度的80μm篩改為45μm篩,篩余量只設上限不設下限,不僅增大了能耗,而且增加了對保證混凝土質量很不利的因素。
  對于(3),我國也有人在做類似這方面的研究,但是都不敢放棄C3S和C3A。文獻[1]給出了一個新理念─改變硅酸鹽熟料組成,取消C3S和C3A,代之以高活性C2S。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  在傳統硅酸鹽水泥熟料主要4種礦物中,其碳足跡的順序是:C4AF<C2S<C3A<C3S。由圖3可見,在較低溫度下燒成的硅酸鹽熟料中只有C2S,溫度升高至出現熔融液,把一部分C2S轉變成C3S,則需要補充石灰石,石灰石分解會生成44kg/t的CO2;所消耗燃料會排出28kg/t的CO2;C2S與CaO生成阿利特所消耗的燃料排放25kg/t的CO2。最后生成C3S+C2S的硅酸鹽熟料,其排放的CO2總量增加13.6%;反過來,如果留下C2S,放棄C3S,則可以減少12% CO2的排放。但是代價是降低早期強度,使混合材的摻用受到限制。為了克服這個問題,文獻[1]報道了一個熟料的新品種─貝利特-硫鋁酸鈣-鐵相(Belite-Calcium Sulfoaluminate-Ferrite,縮寫為BC AF)熟料。該熟料中以活性C2S取代C3S和C3A。以無水硫鋁酸鈣C4A3 提高早期強度是通過加入硫酸鈣在和熟料共同粉磨成水泥水化后實現的,可以達到與硅酸鹽水泥熟料相同的早期強度, 而CO2排放量卻可顯著地減少31%。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  表2為典型的硅酸鹽水泥熟料(Por t land Cement Clinker)、BC AF熟料、理論上的貝利特熟料理論能量和CO2的對比。
混凝土是不是高能耗和高碳排放產業?
  用石灰石和黏土為原料制作水硬性膠凝材料的歷史,在1824年英國J.Aspdin申請硅酸鹽水泥專利至少28年之前就已經開始。經歷了200多年的應用和發展,歷來被追求的就是高CS、高強、低能耗。由于工藝的不斷進步,近100年來,硅酸鹽水泥得到了很大的發展。圖4為上世紀西方水泥的變化。近年來,我國水泥的相應變化與此大體一致,如下:常用水灰比(應為混凝土的)0.30~0.5;養護(大多數工民建)0~3天,重要工程3~7天;水泥細度(比表面積m2/kg)350~400;C3S(%) 57~60%;SO3含量(%)0~2.5。這樣的演變,卻使硅酸鹽水泥越來越不好用,混凝土因而耐久性不可靠。更與節能、降耗相悖。
  如今新型干法窯已使C3S含量達到極致,強度也隨之達到極致,能耗也低到極致,卻沒有帶來混凝土質量的提高,反而因產量大而成為耗能和排碳的大戶?磥砀镄滤嗍炝辖M成已成必要。然而,任何事物均利弊兼有, 對不同使用條件也得失并存。BC AF水泥的應用亦必然如此,故此尚需對其物化性質及其機理,尤其是長期性質,進行系統的實驗研究,但在原理上,前途看好。
  四、混凝土的出路才是水泥的出路
  經過漫長發展的道路,至今發達國家水泥和混凝土的關系是相適應的,即水泥是為混凝土服務的。舉例來看,美國的ACI是混凝土(包括材料和施工應用)的引領者,是美國唯一具有權威性的混凝土行業協會,PCA(波特蘭水泥協會)與ACI合作的實例是協助制定混凝土有關的標準─ACI各專業委員會原則上每三年提供一篇技術發展現狀報告,由PCA編成標準條文,交由ASTM組織專家討論、修改、審定成文并出版;PCA所成立的施工技術實驗室(Construction Technology Lab, CTL),也做混凝土實驗研究,如防火混凝土;又如原新加坡雙龍水泥公司的中心實驗室在賣水泥時,向用戶提供混凝土試配結果和有關軟件。
  再單說混凝土。我國從20世紀90年代才開始發展預拌混凝土,至今未形成產業,大多數攪拌站尚處于作坊式狀態?傮w產能過剩,造成買方市場。面對原材料供應方,是用戶;面對混凝土拌和物的需求方,對方是用戶,但是無論在誰面前都不得不低頭。因為得不到原材料的支持和施工方的配合,混凝土質量很難保證。在目前人們只認強度和坍落度的狀態下,順利過關的試塊即可為“合格”,卻往往不知檢測的是什么試塊。造成這樣的狀態,混凝土方面自身的原因是技術水平低下,觀念落后,有的甚至對水泥和混凝土的基本知識都很欠缺。例如水泥廠常因遇到一些無理要求而增加對用戶不滿,例如要求“水泥富裕強度要高,水化熱要低,不要磨得太細”,殊不知,水泥的高強靠的就是磨細。
  前幾年,有些水泥集團為了解決銷售渠道問題,紛紛并購攪拌站,但是混凝土“版塊”仍然獨立核算。對水泥企業來說,這種并購不僅沒形成產業鏈,反而成為“食之無味,棄之不得”的負擔。
  換一種思維方法可以發現,以上種種現狀存在的原因就是在新形勢下,水泥-混凝土-施工分離的生產關系出了問題,正在阻礙生產力的發展!
  生產關系的內涵一是資本的占有制,二是利潤的分配制。在生產力發展伊始,生產關系對生產力起促進作用;生產力繼續發展到一定程度,生產關系就會阻礙生產力的發展,必須進行改革和突破,才能進一步解放生產力。水泥和混凝土生產關系改革的方法就是把混凝土當成自己一部分的車間,統籌、管理與核算。水泥廠的粉磨車間做成按混凝土需要的水泥制成車間,避免在攪拌站使用采購的水泥時因混合材的不明而存在的弊端,把后續配制混凝土的摻和料作為水泥混合材在水泥生產時摻加得以發揮其潛力;把攪拌站做成混凝土拌和物試配與制備車間,專心于混凝土拌和物的試配,用好骨料和水:(1)以分級入倉的骨料做連續級配的實驗;(2)按混凝土拌和物配合比設計原則確定最優的配合比;(3)按保證拌和物勻質性的目標優化攪拌工藝,做好拌和物制備的過程控制。此外,水泥企業的礦山可以同時建立骨料加工車間,用低品位石灰石生產人工砂石,做好分級供應。最后成立一個混凝土拌和物成型工藝的技術隊伍承包建設工程中的混凝土施工,避免混凝土拌和物購銷雙方屢屢不止的糾紛,保證混凝土最終產品的質量。
  改變生產關系首先要轉變思維方法和觀念,把混凝土納入水泥工藝流程原有體系后,會改變混凝土的社會地位,成為一個完整產業的一份子,融入混凝土結構工程原材料的整個體系。勢必有利于社會節能、降耗、減排,降低成本,提高建設工程質量。
  生產關系的改革是最高層次的改革,當形成了各種利益集團之后,生產關系的改革必然會觸及某些既得利益者的利益,這是以獲取最大利益為目的的資本本性所致。最廣大人民的利益才是最高利益,除此之外沒有不可觸及的利益。另一方面,因傳統思維的主導,歷史上任何的重大變革都會遇到強烈的阻力,而且從理論到實踐必然會有差距,需要假以時日,具體問題具體進行分析研究和試行。
  期望這樣從原材料到最終產品完整體系的實現,能使水泥、混凝土走出當前的瓶頸,能夠從根本上、盡最大可能地使我國土木建設工程質量有更大的提高,有更明顯的節能、降耗、減排效果,健康地可持續發展。
  參考文獻:
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[4] 梅曉鵬. 蒙牛管理模式[M]. 武漢: 武漢大學出版社, 2007.
[5] 吳中偉, 廉慧珍, 高性能混凝土[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 1999 (第一次印刷), 2002 (第二次印刷).
[6] 廉慧珍, 韓建國, 師海霞. 解讀美歐水泥標準─兼談我國水泥現行標準與之差距的我見[J]. 混凝土世界, 2017(5):36-42.
[7] M R H DUNSTAN. Fly-ash as the Fourth Constituent of Concrete Mix, Proceeding of Fourth International Conference on Fly Ash, Silica Fume, Slag and Natural Pozzolana in Concrete. Istanbul, Turkey, May 1992. SP-132-86.
(作者:廉慧珍;師海霞 編輯:admin)
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