[2024年資助成果] 水泥和混凝土的全生命周期碳排放核算-房奎圳

水泥和混凝土的全生命周期碳排放核算

項目負(fù)責(zé)人

房奎圳，清華大學(xué)土木工程系博士后

王強，清華大學(xué)土木工程系長聘副教授

水泥和混凝土作為建筑行業(yè)中使用最為廣泛的材料，其生產(chǎn)過程中的碳排放對全球溫室氣體排放量具有重要影響。隨著全球氣候變化問題的日益嚴(yán)重，實現(xiàn)建筑材料生產(chǎn)過程的減碳成為實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。然而，現(xiàn)有的碳排放核算方法在應(yīng)對不同低碳發(fā)展路徑時存在適用性問題。本文將開展關(guān)于水泥和混凝土全生命周期碳排放核算方法適用性的研究，規(guī)范輔助性膠凝材料（SCM）的碳排放核算方法，分析建筑垃圾處置與再利用階段的碳減排潛力，并為混凝土碳標(biāo)簽的建立提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支持。

研究背景

全球氣候變化是當(dāng)今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一，而溫室氣體排放是導(dǎo)致氣候變暖的主要原因。根據(jù)政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告，本世紀(jì)末全球平均氣溫可能上升3±1.5°C，導(dǎo)致海平面上升和極端天氣事件頻發(fā)。中國政府在2020年提出了“雙碳目標(biāo)”，明確了減少碳排放的重點領(lǐng)域和技術(shù)路線，其中建筑行業(yè)因其高能耗和高碳排放成為重點關(guān)注對象。

建筑行業(yè)使用大量能源和材料，產(chǎn)生的溫室氣體排放量巨大。根據(jù)世界綠色建筑理事會（WorldGBC）和其他研究報告，建筑行業(yè)的能源消耗占全球總能源使用的40%以上，溫室氣體排放量約占18%-50.9%。在建筑材料中，基于硅酸鹽水泥的混凝土是使用量最大的材料，水泥生產(chǎn)占混凝土碳排放的90%，而水泥行業(yè)本身的碳排放占建筑行業(yè)的8%。因此，準(zhǔn)確計算水泥和混凝土的碳排放量，對于實現(xiàn)建筑全生命周期碳排放的有效控制和“雙碳”目標(biāo)的實現(xiàn)具有重要意義。

研究方法與數(shù)據(jù)結(jié)論

本研究基于全生命周期分析（LCA）和排放因子法（CEF），系統(tǒng)評估了水泥和混凝土全生命周期中的碳排放核算方法（核算邊界如圖1），并重點探討了現(xiàn)有方法在低碳發(fā)展路徑下的適用性。研究內(nèi)容分為四個部分：

1 預(yù)拌混凝土全生命周期及系統(tǒng)邊界

1. 水泥碳排放核算方法的適用性

研究評估了現(xiàn)行水泥碳排放核算標(biāo)準(zhǔn)GB/T 32151.8-2015在不同低碳發(fā)展路徑下的適用性。通過對替代性燃料、提高能效、使用輔助性膠凝材料（SCM）替代熟料、碳捕集與利用（CCSU）以及替代性熟料（RBPC、CSA）的五種低碳路徑進行分析，發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有核算方法在大部分路徑下適用，但輔助性膠凝材料的碳排放核算方式的研究存在空白。

通過對五種低碳路徑下的水泥生產(chǎn)數(shù)據(jù)進行實例核算，驗證了現(xiàn)有核算方法的可行性，并揭示了SCM替代熟料在減少水泥碳排放方面的有效性。

2. 輔助性膠凝材料（SCM）的碳排放核算

研究規(guī)范了四類常用SCM（?；郀t礦渣粉、鋼渣粉、I級粉煤灰、A級石灰石粉）的碳排放核算邊界和方法，計算其碳排放因子。通過對42條?；郀t礦渣粉生產(chǎn)線、33條鋼渣粉生產(chǎn)線、27條粉煤灰生產(chǎn)線和7條石灰石粉生產(chǎn)線的生產(chǎn)數(shù)據(jù)調(diào)研，得出四類SCM的碳排放因子分別為80.18、94.20、32.01、19.03 kgCO/t。

此外，研究分析了運輸距離對SCM碳排放的影響，發(fā)現(xiàn)運輸排放在SCM生產(chǎn)中占比顯著，不同運輸距離下的碳排放差異較大。

3. 普通混凝土的碳標(biāo)簽建立與碳排放分析

基于收集的C30-C80普通混凝土配合比數(shù)據(jù)（圖2），研究建立了混凝土的碳標(biāo)簽分級制度，并確定了各強度等級下的碳排放臨界值。結(jié)果表明，普通混凝土中95%的碳排放由原料碳排放貢獻，其中水泥占比超過90%（圖3）。

圖2 中國不同地區(qū)的數(shù)據(jù)樣本量

圖3 C30-C80預(yù)拌混凝土原料隱含碳排放量

通過對C30普通混凝土、C30堿激發(fā)混凝土（AAC）和C120超高性能混凝土（UHPC）的碳排放對比研究發(fā)現(xiàn)，盡管AAC中的堿激發(fā)劑（NaOH、NaSiO）具有較高的碳排放因子，其在C30體系中仍表現(xiàn)出低碳優(yōu)勢。然而，隨著強度等級提高，堿激發(fā)劑用量增加，可能使AAC的碳排放接近或超過同等級普通混凝土，這需進一步研究驗證。UHPC因高水泥與鋼纖維用量導(dǎo)致碳排放較高，但其優(yōu)異的抗拉、抗彎性能及耐久性，可能通過減少混凝土用量、降低配筋率和維護能耗，顯著削減工程全生命周期碳排放，展現(xiàn)潛在低碳效益。

4. 混凝土處置階段的碳排放核算

研究探討了混凝土處置階段的碳排放核算方法，重點分析了填埋與資源化利用兩種處置方式的碳排放效益。通過情景假設(shè)，發(fā)現(xiàn)在相似運輸距離下，資源化利用的碳排放量略高于填埋，但環(huán)境效益顯著，再生骨料的使用對強度影響小，支持其作為一種環(huán)保的處置方式（如表1、圖4所示）。

表1 不同場景下的參數(shù)設(shè)置

注：natural fine aggregates (NFA)；Manufactured sand (MS)

圖4 4種情景下C30預(yù)拌混凝土的碳排放

研究結(jié)論

本研究系統(tǒng)地評估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，得出以下主要結(jié)論：

（1）現(xiàn)有水泥碳排放核算體系適用于四類低碳路徑：使用替代燃料、提升能效、以輔助膠凝材料（SCM）替代熟料，以及采用替代熟料如堿激發(fā)水泥（CSA）和混凝土。SCM和CSA通過減少熟料煅燒所需燃料和碳酸鹽消耗，顯著降低碳排放。然而，核算體系未涵蓋的排放包括CCSU技術(shù)捕獲的CO、加速碳化過程中利用的CO，以及堿激發(fā)體系前驅(qū)體材料的隱含碳。

（2）輔助性膠凝材料的碳排放包括原料運輸、SCM生產(chǎn)電力排放和燃料燃燒排放，可在標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)工藝和已知運輸距離下，計算不同材料（S95級?；郀t礦渣粉、鋼渣粉等）的碳排放因子。不同粉磨磨機的生產(chǎn)數(shù)據(jù)對非常用細(xì)度范圍下的SCM碳排放因子計算至關(guān)重要。

（3）普通混凝土的碳標(biāo)簽評價等級臨界值隨強度等級提高而增加?；炷林?5%的碳排放來自原料碳排放，其中水泥占總原料排放的90%以上。堿激發(fā)混凝土的碳排放主要由激發(fā)劑和SCM貢獻，而超高性能混凝土主要由水泥和鋼纖維貢獻。使用不同的SCM可以降低OC和UHPC的碳排放。

（4）混凝土處置階段的碳排放包括廢材運輸、填埋、資源化生產(chǎn)排放和再生資源碳匯。廢混凝土塊的處置碳排放量受運輸距離影響較大，資源化利用相較于填埋在相似運輸距離下的碳排放量略高，但仍可顯示出較好的環(huán)境效益。

本研究系統(tǒng)評估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，特別是水泥碳排放核算方法在低碳發(fā)展路徑下的適用性。通過規(guī)范SCM的碳排放核算方法，建立混凝土的碳標(biāo)簽制度，并探討混凝土處置階段的碳排放核算，研究填補了現(xiàn)有核算體系的多個空白，為建筑行業(yè)實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)提供科學(xué)依據(jù)和技術(shù)支持。

項目負(fù)責(zé)人簡介

房奎圳，清華大學(xué)土木工程系博士后，研究領(lǐng)域為綠色建材和固廢資源化利用，主編固廢資源化利用及碳排放相關(guān)領(lǐng)域行業(yè)/團體標(biāo)準(zhǔn)5項，專著1部，獲2024綠色礦山科學(xué)技術(shù)獎技術(shù)進步類一等獎。

聯(lián)系方式：aloysea@tsinghua.edu.cn

“房地產(chǎn)可持續(xù)發(fā)展”研究資助計劃

本項計劃由清華大學(xué)恒隆房地產(chǎn)研究中心于2023年初啟動，該計劃面向清華大學(xué)全體教師和研究人員征集，鼓勵和支持我校圍繞房地產(chǎn)行業(yè)的多元場景，開展創(chuàng)新性、跨學(xué)科交叉研究等。2024年度研究計劃共資助了10項研究，相關(guān)成果發(fā)布會已于2025年1月10日在清華大學(xué)舉行。2025年研究資助計劃申報指南業(yè)已發(fā)布，感謝您的關(guān)注，期待您的申請與轉(zhuǎn)發(fā)。

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