■中国工程院院士、东南大学首席教授 刘加平
人类活动所造成的气候变暖速度是2000年来前所未有的，仅就CO₂排放来说，从1900年到2019年CO₂浓度的增加速率，是过去5600万年来最高增速的4倍。为避免全球气候变暖对人和地球的致命影响，《巴黎协定》中将全球平均气温上升控制在2℃以内，并努力限制在1.5℃。针对这一目标计算碳排放，到2030年碳排放要比2010年减少45%，并在2050年达到净零排放。中国CO₂排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和。如期实现碳达峰、碳中和目标，就要求我们必须极大地推动我国能源结构调整和产业结构变革。
全球范围内交通基础设施体量巨大，碳排放量占比高。《2021年全球建筑和建造业状况报告》中指出，2020年全球交通基础设施碳排放占总排放量的23%。
截至2021年年底，我国现有公路桥梁96万余座，其中钢筋混凝土桥梁数量占比超过90%。《2021年交通运输行业发展统计公报》中显示交通建材隐含的碳排放量中，水泥占93.5%、钢材占3.6%、沥青占1.6%、砂砾占1.2%。2020年我国水泥产量23.8亿吨，熟料产量15.8亿吨，生产过程CO₂排放13.75亿吨，约占我国CO₂总排放量的13.4%。
我国钢筋混凝土使用量位居全球第一，占比全球一半以上，所以探索桥梁混凝土低碳发展新路径，是桥梁可持续发展的重大需求。
混凝土低碳化
是桥梁可持续发展的重要途径
混凝土材料低碳化是实现桥梁低碳、可持续发展的重要途径。
首先，从混凝土材料全寿命周期碳足迹计算上讲，要真正实现“三步走”的全生命周期闭环。第一步起步阶段“从摇篮到大门”，计算从原材料进厂、混凝土生产到混凝土出厂的碳足迹；第二步“从摇篮到坟墓”，即额外考虑混凝土结构的施工服役与拆除阶段的碳足迹；第三步“从摇篮到摇篮”，考虑混凝土材料再生回收的碳足迹。
我国斜拉桥、悬索桥虽取得了长足进步和突破，但在碳足迹计算方面，我国基础数据库仍处于起步阶段，现有的模型和数据库主要来自欧盟与美国，一些基础研究还是任重道远的。
此外，现有混凝土的碳足迹计算模型的边界主要为“从摇篮到大门”，若只考虑混凝土材料本身所产生的碳排放，并未考虑材料性能提升后，结构服役寿命延长、结构形式优化，以及新型低碳水泥、混凝土长期碳化等带来的减排效应，就好比“闭门造车”。
我们需要对现有模型进行扩充，从材料层次提升到结构层次，建立考虑结构性能与服役寿命的低碳混凝土碳足迹计算模型。然后，基于碳足迹计算模型及碳排放数据，结合关键技术突破，比如钢筋混凝土高耐久化、混凝土高性能化、原材料低碳化和混凝土制品低能耗养护等技术手段来降低桥梁混凝土结构的总体碳排放。
钢筋混凝土高耐久化
如果钢筋混凝土服役寿命延长一倍，全国碳排放的比重将降低15.9%，其中混凝土占比11.3%、钢筋占比4.6%。目前我们采用“隔、阻、缓、延”技术体系来延长混凝土的服役寿命。
“隔”即在混凝土表面涂层封面。在桥梁领域主要为两个方面，其一是大气区，其二是水位变化区。大气区主要通过强渗透、耐老化、抗剥落的无机防护材料，渗透到混凝土表面或内部7～10mm，使氯离子扩散系数降低约78%、表面氯离子浓度降低37%、碳化深度降低60%以上，从而达到透气不透水、阻隔有害介质侵入的效果，且整个服役过程不产生表面剥落。水位变化区主要通过抗冲磨技术解决海浪冲刷和干湿交替带来的腐蚀破坏。目前来说，聚脲是较好的耐腐蚀材料，其自身抗冲磨性能很好，但与混凝土变形不一致，往往会产生剥落。我们的技术能够将潮湿基面的附着力提高到3MPa以上，从而提升浪溅区混凝土抵抗冲磨和介质渗透能力。
“阻”即阻碍有害介质在混凝土中的传输。混凝土收缩开裂会导致渗透系数急剧加大，加速有害介质、空气与水分传输，加剧钢筋腐蚀，从而严重降低混凝土结构服役寿命。因此，需要针对不同服役环境、结构特征与材料特性“对症下药”，通过定向、高效降低混凝土不同阶段的多种收缩控制裂缝，实现刚性防水与结构同寿命。例如，常泰长江大桥中的高强大体积索塔，其混凝土开裂风险很大。因此，工程采用了水利大坝工程常用、在交通运输工程罕用的低热水泥，同时结合分阶段全过程收缩开裂抑制技术，降低开裂风险系数，保障混凝土结构的服役寿命。“阻”的另一方面，在沿海区域的结构混凝土中加入侵蚀抑制材料，提升混凝土抗介质渗透性能，从而提升结构服役寿命。
“缓”主要是控制钢筋临界氯离子浓度。我们利用有机杂原子聚合技术，多位点吸附钢筋阻锈材料，实现钢筋阻锈提升3～5倍，结构服役寿命超100年，目前，已突破3.5%以上高氯盐环境钢筋点蚀抑制难题。
“延”是钢筋发生锈蚀后进行无损修复，从而延长服役寿命。我们采用微乳液制备技术开发自迁移阻锈材料，涂刷在混凝土表层后通过毛细吸附快速渗透，定向迁移，并在钢筋表面形成吸附膜，隔离或竞争性取代钢筋表面吸附氯离子，实现钢筋混凝土的无损修复。钢筋阻锈与修复技术已在港珠澳大桥珠海口岸、深中通道六标承台、贵广高铁思贤窖特大桥等重大桥梁工程中得到了良好应用。
混凝土高性能化
混凝土高性能化是指通过提高混凝土的力学性能，减小结构断面、减轻构筑物自重，从而减少结构中水泥混凝土的用量，降低碳排放。我们的技术路径是从分子和微纳观层次，调控混凝土浆体、基体和界面过渡区的微结构，降低水泥用量的同时实现高强和高韧的统一。
首先，我们针对超高性能混凝土复杂材料组分分散问题，研发了超分散聚合物，减水率可达50%以上，进而在降低水泥用量的条件下维持强度和流动性，CO₂直接排放可降低34%以上。
其次，通过纳米杂化材料，实现常温养护工艺下超高性能混凝土的超高强度、高弹模和低徐变，为轻质大跨混凝土结构的强度和刚度匹配提供技术基础。同时，采用链棒状聚合物和微细高强钢纤维增韧技术，含粗骨料超高性能混凝土抗拉强度突破10MPa，拉伸应变提升10倍，实现了超高强与超高韧的统一。在结构试验中混凝土板弯曲跨中挠度可超20cm，混凝土梁1200万次疲劳未开裂，显著提升了轻质大跨混凝土结构的抗裂和抗疲劳能力。
目前该项技术已成功应用于南京长江第五大桥工程中的粗骨料超高性能混凝土桥面板。南京长江第五大桥是世界首座轻型钢－UHPC结构斜拉桥，采用粗骨料超高性能混凝土桥面板后，其组合梁的用钢量减少20%，自重降低30%，减少CO₂直接排放约2.5万吨，满足节能减碳发展要求，并促进了桥梁结构体系轻量化创新。
此外，超高性能混凝土技术还应用于上海松浦公铁两用大桥改扩建工程。该工程采用粗骨料超高性能混凝土桥面板作用改扩建材料，在大桥下部结构不变的基础上，上部桥面由12m拓宽成24.5m，提升交通能力40%，延长桥梁使用年限50年以上，创新了既有桥梁维修加固新思路，节省造价约1.5亿元，减排效益显著。
后面我们还要做混凝土的超高强韧化。通过构建胶凝相键合强化－界面交联增韧－多尺度纤维分形韧化技术，突破了性能极限，显著提升钢筋与混凝土协同变形能力，突破现有配筋混凝土结构抗拉和韧性的基本设计理念。
水泥混凝土原材料低碳化
原材料的低碳化主要从水泥与熟料的生产上实现。水泥熟料的碳排放主要来自：煅烧过程中碳酸盐的分解；煅烧过程中燃料燃烧；粉磨、冷却、运输过程中消耗的电能。因此，可以从提高水泥生产能效、使用可替代燃料、减少熟料用量、开发低碳胶凝材料、混凝土再生利用五个方面来降低水泥碳排放。
首先，随着新型干法水泥生产工艺的推广，我国在水泥生产能耗已经处于国际领先水平，达到110kg标准煤/t.cl，减排约33kg CO₂/t.cl。
其次，目前全国已有20多个省份建成或正在推进建设水泥窑协同处置垃圾、污泥、危险废弃物等生产线150条，处置能力为1266万吨。每替代1%的化石燃料（约1.1kg标准煤），减排2.49～2.58kg CO₂/t.cl。
再者，通过大量采用高炉矿渣、粉煤灰、钢渣等工业固废作为混合材，降低水泥中熟料的用量，每降低1%熟料，可减排8.5kg CO₂/t.cl。目前中国的熟料系数为0.6～0.65，远低于国际平均值0.78与欧盟平均值0.737。未来通过继续降低熟料系数至0.55左右，减排80～85kg CO₂/t.cl。
新型低碳水泥同样具有一定减排潜力，我们目前也参与到国际上较为热门的LC3水泥研究工作，并在国内镇江也建立了示范生产线和应用体系。
最后，再生混凝土的资源化利用同样是降低原材料碳排放的重要途径。再生混凝土可加工用作再生骨料和再生微粉，作为原材料再次使用，从而减少水泥用量，降低碳排放。
未来随着我国能源结构调整，基于煤电的传统矿物掺合料数量将急剧减少，我们需要高效利用富铝的工业固废，拓展硅铝酸盐胶凝体系，解决辅助胶凝材料无材可用的问题。
混凝土制品低能耗制备
传统混凝土预制构件采用蒸汽养护来提高早期强度，加快磨具周转，但是蒸汽养护成本高、污染大、能耗与碳排放高。因此，我们通过开发系列早强功能材料，形成针对不同阶段的水化历程成套调控技术，加速硅酸盐水泥早期水化进程，促进混凝土早期强度快速发展，免去蒸汽养护。同时采用早强功能材料解决了传统技术降低流动性、后期强度和耐久性难题，显著提升混凝土制品的服役性能。以管桩混凝土为例，采用超早强技术可实现管桩泵送免压蒸生产，较传统技术降低生产能耗约70%，直接减少单位产品碳排放86kg/m³。
未来我们要做什么？
全球水泥和混凝土协会（GCCA）提出的2050气候愿景中指出，自1990年以来，全球每吨水泥的CO₂排放量已经减少了19.2%。未来，我们通过采用低碳水泥、可再生能源、碳捕集等变更性技术，进一步实现混凝土的碳中和。
实现混凝土碳中和的技术途径主要包括：（1）最大限度协同处置其他行业的废弃物，减少水泥生产中的化石原料排放；（2）利用再生能源，减少和消除间接能源排放；（3）减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）大规模部署碳捕集技术来减少工艺流程的碳排放；（6）通过再碳化的方式提升既有混凝土建筑的CO₂吸收能力。
此外，我们希望通过创建低碳胶凝材料新体系，研发高强韧水泥基材料，减少钢筋混凝土用量，延长构筑物使用寿命；将人工智能与混凝土材料相结合，建立新一代混凝土的高通量大数据库，形成数据驱动的智能设计与精细制备方法，实现混凝土系统寻优与材尽其用；通过智能振捣、电激养护和微波养护等技术，实现混凝土材料高效赋能。
低碳混凝土，未来可期。
本文原载于《中国建材报》8月15日1版
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