低碳零碳建材是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵

張鎖江

碳中和是國家重大戰(zhàn)略，工業(yè)過程碳排放約占我國碳排放總量的49%（包含工業(yè)用電間接排放），是我國實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重中之重。要在2060年實現(xiàn)碳中和目標(biāo)，意味著我國在快速實現(xiàn)工業(yè)化的同時，用最短的時間實現(xiàn)從碳達(dá)峰到碳中和的過渡。2022年1月，習(xí)近平總書記在中央政治局學(xué)習(xí)中特別提出，要大力推動鋼鐵、有色、石化、化工、建材等傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)優(yōu)化升級，加快工業(yè)領(lǐng)域低碳工藝革新和數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

2020年我國建材行業(yè)總產(chǎn)量約25億噸，總碳排放16.5億噸，其中水泥產(chǎn)量約23億噸，產(chǎn)生的碳排放量約13億噸，約占建材行業(yè)總碳排放的80%，是建材碳減排的重點和難點。水泥生產(chǎn)過程最大的碳排放來自碳酸鈣原料分解，其次是燃料燃燒和電力消耗。

未來隨著社會進(jìn)步，建材用量會逐步減少，但實現(xiàn)建材行業(yè)碳中和的主要途徑仍要依賴新技術(shù)發(fā)展，主要包括生產(chǎn)工藝減碳、源頭減碳以及CCUS技術(shù)。從建筑發(fā)展歷史看，遠(yuǎn)古時代的建筑主要是木石或者草木結(jié)構(gòu)，而現(xiàn)代建筑基本是由水泥和鋼筋構(gòu)成，未來將采用新型綠色低碳零碳建筑型式，一方面采用低碳零碳水泥或采用鋼結(jié)構(gòu)建筑;另一方面要發(fā)展新建筑材料，如碳纖維、塑料、3D打印等新型材料。因此，建筑結(jié)構(gòu)和形式會發(fā)生徹底改變。

一、發(fā)展低碳零碳水泥

低碳零碳建材是建材行業(yè)源頭減碳的主要途徑，需要通過原料替代、低碳水泥和新型材料替代水泥來實現(xiàn)建材行業(yè)的碳減排。低碳水泥是相對現(xiàn)有通用硅酸鹽水泥熟料體系而言，以低碳硅比的二硅酸三鈣、硅酸二鈣、硅酸鈣等為主要礦相的新型熟料體系在生產(chǎn)過程中煅燒溫度會降低，CO₂排放也更低，是水泥行業(yè)的重要發(fā)展方向。在不久的將來，隨著低碳水泥、負(fù)碳水泥等新技術(shù)實現(xiàn)突破性發(fā)展和推廣應(yīng)用，將進(jìn)一步加快我國建筑行業(yè)碳中和進(jìn)程。

我國每年都會有大量的高鈣硅含量工業(yè)廢渣產(chǎn)生，如鋼渣、電石渣、粉煤灰、硅鈣渣等，這些工業(yè)廢渣的堆積占用了大量土地，嚴(yán)重污染環(huán)境。采用這些工業(yè)廢渣替代石灰石作為水泥生產(chǎn)用原料，是水泥行業(yè)協(xié)同處置工業(yè)固廢并同時降低原料煅燒過程中的CO₂排放的重要途徑。例如，通過濕法礦化技術(shù)，可實現(xiàn)鋼渣中游離鈣高值化和固碳過程耦合，同時提高鋼渣摻混率，提升鋼渣水泥的膠凝活性和穩(wěn)定性，制備低碳水泥。循環(huán)流化床粉煤灰是高凝膠活性的含硅材料，可替代部分熟料制備低碳水泥。電石渣中鈣含量很高，是水泥的優(yōu)質(zhì)鈣源，可代替部分水泥熟料減少生產(chǎn)過程碳排放。

新型凝膠材料技術(shù)主要是利用堿性激發(fā)劑激發(fā)工業(yè)廢渣獲得低能耗、低碳排的聚合材料，相對于水泥而言其CO₂排放很少。雖然目前還沒有證據(jù)表明其可以全面取代普通硅酸鹽水泥，但已經(jīng)有一些研究成果表明在不久的將來這種建材或?qū)⒈粡V泛應(yīng)用。

二、發(fā)展低碳鋼結(jié)構(gòu)建筑

鋼結(jié)構(gòu)建筑是替代水泥建筑的一種重要方式，相較于傳統(tǒng)混凝土建筑，它更加綠色低碳、節(jié)能節(jié)水，并且具有主材可回收、裝配簡單、減少人工、抗震性能好等優(yōu)勢，被譽為21世紀(jì)的“綠色建筑”，如鳥巢、武漢雷神山醫(yī)院等都是鋼結(jié)構(gòu)建筑。從全生命周期看，鋼結(jié)構(gòu)建筑相比水泥建筑可降低碳排放35%以上。鋼結(jié)構(gòu)建筑的發(fā)展關(guān)鍵在于鋼鐵行業(yè)自身低碳技術(shù)的發(fā)展。鋼鐵行業(yè)主要的排碳單元是高爐煉鐵過程中碳作為還原劑和熱源產(chǎn)生大量CO₂，因此減排的關(guān)鍵是碳原料替代和流程變革。在產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的基礎(chǔ)上，應(yīng)大力發(fā)展富氫或全氫冶金技術(shù)、廢鋼回用短流程技術(shù)、富氧燃燒、鋼化聯(lián)產(chǎn)等技術(shù)。

三、發(fā)展新型建筑材料

碳纖維材料是新型綠色建材的發(fā)展方向之一。碳纖維作為一種性能優(yōu)異的戰(zhàn)略性新型建筑材料，密度不足鋼的1/4，但強度卻是鋼的5-9倍，且耐腐蝕性強。碳纖維做的碳網(wǎng)格混凝土，比傳統(tǒng)的鋼筋混凝土減少鋼筋用量約75%，從全生命周期來看，碳纖維混凝土在能耗和性能等方面都具有優(yōu)勢。德累斯頓理工大學(xué)采用C3-碳混凝土復(fù)合材料建成的一個220平方米實驗室，減少了約50%的碳排放。

另外，我國碳纖維應(yīng)用在建筑領(lǐng)域也有了一些突破，如在浙江桐廬機器人編制的碳纖維結(jié)構(gòu)展亭——結(jié)緣堂，國內(nèi)首座應(yīng)用碳纖維材料斜拉索的千噸級車行橋——聊城市興華路跨徒駭河大橋。目前受限于生產(chǎn)成本高、能耗高、碳排放高等因素的影響，碳纖維還不能大規(guī)模應(yīng)用于建筑領(lǐng)域。因此，亟需變革性的碳纖維生產(chǎn)技術(shù)，如以煙氣、廢氣中捕集的CO₂為原料，利用太陽能提供綠色電、熱能源制備碳纖維材料，或以生物質(zhì)為原料通過紡絲、預(yù)處理、碳化等過程制備碳纖維材料，以此實現(xiàn)碳纖維新型建筑的發(fā)展。

新型塑料也展現(xiàn)出了部分替代水泥的潛力。如德國一座8層2.4萬平方米的大樓就采用新型塑料填充結(jié)構(gòu)，預(yù)計可減少35%的混凝土用量。塑料材料在建材行業(yè)應(yīng)用的根本是負(fù)碳聚合物技術(shù)的突破。另外，3D打印建筑作為一種新興建筑模式，也逐步呈現(xiàn)出一定的發(fā)展趨勢，但相對來說，這種建筑成本比較高、材料結(jié)構(gòu)本身沒有突破，未來3D打印材料可以朝著低成本、流動性、高強度、耐久性的有機-無機復(fù)合材料方向發(fā)展。

四、建議與思考

建材行業(yè)減碳不能孤立，必須與化工、有色、鋼鐵等行業(yè)進(jìn)行深度耦合，這是實現(xiàn)低碳、零碳建材的關(guān)鍵。傳統(tǒng)水泥向低碳水泥發(fā)展，用工業(yè)廢渣做水泥生產(chǎn)的原料，這將是近期的重點工作。未來，生物質(zhì)可能做出碳纖維，CO₂可能做出各種各樣的塑料，大部分能量可以來自太陽能，新型材料可以用于低碳零碳結(jié)構(gòu)的建筑，所以低碳零碳建材是實現(xiàn)碳中和的關(guān)鍵，也將帶來建筑結(jié)構(gòu)和形式的革命性變化。從材料基因組學(xué)上通過納微結(jié)構(gòu)來調(diào)整水泥元素的選擇，如鈣、硅、氧、鐵、鎂、鋁、碳、氫等元素種類和比例的調(diào)整可以獲得低碳或負(fù)碳水泥，解決建材行業(yè)低碳零碳發(fā)展的科學(xué)問題。鑒于此，給出以下建議：（1）加強戰(zhàn)略規(guī)劃，制定建材變革性技術(shù)路線圖;（2）突破新型建材納微層次結(jié)構(gòu)及作用機制認(rèn)知;（3）突破低碳建材生產(chǎn)工藝、裝備與工程化難題;（4）加大支持力度，加快新建筑材料的示范應(yīng)用;（5）創(chuàng)新體制機制，組建跨行業(yè)的交叉攻關(guān)團隊。