对于混凝土,少即是多

需求变化可以推动零碳混凝土的未来

当世界各国领导人齐聚达沃斯世界经济论坛年度会议,讨论包括气候变化在内的全球问题时,他们将在混凝土中度过这一天。房屋、摩天大楼、道路、高速公路、桥梁、人行道、供水系统、水坝等都依赖混凝土,因为它具有无与伦比的强度特性、耐用性、多功能性和低成本。毫不奇怪,到 2050 年,全球对水泥的需求预计将从 42 亿吨增加到 62 亿吨,增长 48%。水泥与水和矿物质混合后会硬化成混凝土。

在中国最近的大规模城市化进程中,该国在 2011 年至 2013 年间使用的混凝土比美国在整个 20 世纪使用的还要多。在中国混凝土使用放缓的同时,印度、非洲和其他发展中国家的混凝土消费量将随着经济发展而飙升,其用途将分为住宅、商业和基础设施。虽然混凝土对于建造改善我们日常生活的结构至关重要,但它占全球碳排放量的 8%;这些排放量的 90% 来自熟料的生产,熟料是混凝土的主要强度成分。

根据《巴黎气候协定》,全球混凝土行业必须到 2030 年和 2050 年分别减少 16% 和 100% 的排放量,才能保持在 1.5°C 的升温碳预算之内。这项工作需要对整个具体价值链进行重大变革,但最简单、最具成本效益的措施是在满足项目要求的同时使用更少的材料。减少对碳密集型熟料的需求将有助于使混凝土行业重回正轨以实现其气候目标。

对于混凝土,少即是多

更好的设计

减轻该行业碳足迹的第一步是在每个应用程序中使用更少的混凝土,即使应用程序在增长。有几种现有的和正在开发的方法可以确保混凝土材料的效率,这些方法可以在不改变材料本身的情况下实现大量的碳减排。建筑物和其他项目的传统设计旨在最大限度地降低成本,而不是碳排放量和过高的设计利润率。然而,自动化设计工具最近和持续的进步使结构工程师和建筑师能够迅速探索给定项目的更多结构选项,同时更多地考虑材料效率。

RMI 的出版物Profitably Decarbonizing Heavy Transport and Industrial Heat深入探讨了通过更好的结构设计可以实现盈利的混凝土和钢材节约。例如,这种工程方法分别为纽约的自由大厦和中国的上海中心大厦节省了 40% 和 24% 的混凝土用量。随着自动化设计软件的改进,精益设计有望与当前方法相比(在设计时)具有成本竞争力,并成为减少需求的主要驱动力。

第二个杠杆是不使用新混凝土。在某些情况下,重新使用旧结构中的混凝土构件等选项可以减少二氧化碳排放。然而,正确的答案因地区而异,取决于许多其他因素,包括建筑类型、设计要求、当地材料的可用性等。

同时,必须调整建筑规范和市场偏好以允许使用低碳混凝土。随着碳成为我们建设基础设施的关键考虑因素,我们必须缩小设计师需求与现有技术之间的创新差距。像 EC3 工具这样的工具可以有效地比较项目设计选项的隐含碳以及严格的测试,这将为未来的低碳结构铺平道路。

对于混凝土,少即是多

制造低碳混凝土

除了减少建筑混凝土的总用量外,减少单位混凝土的水泥用量是降低混凝土熟料含量和碳强度的另一有效途径。为了在不增加风险的情况下降低粘合剂强度,我们应该过渡到散装水泥的使用,例如预拌混凝土,其中水泥浪费最多可减少 30%,配合比规格和配合比创建更加精确,并且可以添加称为外加剂的化学物质改善混凝土性能并减少水泥需求。

在许多国家,建筑商仍然喜欢使用袋装水泥,这会导致浪费和过度使用。将世界袋装水泥市场的一部分(目前为 42%)工业化将产生显着的水泥节约,但需要投资预拌工厂和水泥卡车,并显着改变当地市场动态。在美国和欧盟等地区,水泥的使用已经基本工业化,而袋装水泥在印度的市场份额接近 90%,为减排提供了巨大的机会。现有的工厂已经加入了各种各样的化学外加剂,例如分散剂,它们可以减少对水的需求,从而减少所需的水泥量。其他外加剂包括可更快速地强化混凝土的促进剂,以及允许气泡增加体积并取代固体材料输入以用于低强度应用的空气固化剂。

通过创新创造新的外加剂以及提高现有解决方案的适用性、效率和成本竞争力,将大大降低混凝土中的熟料和水泥含量,同时保持给定应用的性能。

对于混凝土,少即是多

传统波特兰熟料水泥的替代品也一直是许多研究的主题,但成本、材料性能、原材料的可用性和能源输入导致采用有限。虽然这种杠杆有一些优点,但短期内不太可能大规模部署这些利基解决方案,因为它们仍然是相对定制的产品,在高度商品化的世界中寻求利基市场。

然而,使用不太普通的波特兰水泥以另一种方式取得了进展——在水泥混合物中替代有限量的辅助胶凝材料 (SCM) 以部分取代熟料。 SCM 与水混合时表现出与熟料相似的行为,并有助于提高水泥混合物的强度,但在大多数情况下不能完全取代熟料。 SCM 包括工业废料,例如磨碎的粒状高炉矿渣 (GBFS) 和飞灰、煅烧粘土、天然火山灰和磨碎的石灰石。目前的熟料与水泥之比为 0.72,但全球水泥和混凝土协会 (GCCA) 的目标是到 2050 年将全球平均水泥熟料含量减少 18%。

选择熟料替代率高的混凝土可以立即将传统五层建筑的相关碳排放量减少32%,总建筑成本增加不到0.5%。古罗马万神殿完全由天然火山灰水泥建造,而更现代的例子包括西雅图的 The Spheres 和开罗的标志性塔楼,两者都使用 Holcim 的低碳 ECOPlanet 水泥。虽然这些 SCM 中的许多都具有性能优势,但凝结时间增加和早期强度降低可能会延迟项目时间表,并在某些情况下产生额外成本。

改进加速外加剂以提高凝结时间和强度对于在混合混凝土中更多地掺入 SCM 至关重要。进一步测试和更新标准对于提高采用率也至关重要。然而,值得注意的是,飞灰和 GBFS 的供应预计将下降,因为它们的来源分别是煤电和炼钢厂,分别被淘汰和脱碳,这使得其他 SCM 的勘探和提取对于生产更环保的混凝土更为关键.鉴于石灰石和煅烧高岭土在全球的可用性,由 50% 熟料、30% 煅烧粘土、15% 石灰石和 5% 石膏组成的 LC3 水泥被视为未来低碳混凝土的一种有前途的方法。随着新的 SCM 的出现和对当前混合水泥性能的改进,混凝土的熟料系数和碳强度将继续降低。然而,在这决定性的十年气候行动中,时间至关重要。

净零未来

First Movers Coalition、ConcreteZero、Industrial Deep Decarbonization Initiative 等实体现在都在要求低碳混凝土,供应商需要采取行动以满足不断增长的需求。具体价值链的创新可以减少排放和成本,推动碳强度的技术极限并为政策变化提供信息。我们需要多管齐下的方法,以减少混凝土、水泥和熟料的使用量为目标。未来的结构工程师将使用最先进的软件快速探索设计选项的有效前沿,同时预拌工厂为项目提供碳强度较低的混凝土。这些需求减少只是方程式的一部分,替代燃料、电气化和碳捕获等供应方措施必须消除剩余排放。

通过 Mission Possible Partnership,RMI 与能源转型委员会、Systemiq、世界经济论坛、欧洲水泥研究院 (ECRA) 和 GCCA 合作,在不久的将来探索除了供应方的脱碳杠杆之外的每一种脱碳杠杆。待发布的水泥行业转型战略。混凝土和水泥行业正处于向净零能耗转型的根本转型的风口浪尖。

作者:Ben Skinner 和 Radhika Lalit,© 2023 Rocky Mountain Institute。经许可发布。最初发布在 RMI Outlet 上。

Pawel Czerwinski 在 Unsplash 上的精选照片

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来源:CleanTechnic

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