新型固碳混凝土

混凝土是地球上仅次于水的第二大消耗材料,其产量正在大幅增长,预计将从44 亿吨增加到 2050 年的55亿吨。然而,混凝土的生产是以巨大的环境污染为代价的,几乎占全球碳排放量的 8%,而其中大部分是因为水泥熟料的生产过程排放。根据GB/T51366—2019《建筑碳排放计算标准》中,每立方米C30和C50混凝土隐含CO₂(碳排放因子)分别为295 kg和385 kg CO₂e/m3,但是其中近90%的排放都是由于水泥熟料生产产生的。

随着低碳建筑对隐含碳排放的愈加关注,人们对于混凝土的低碳替代方案有更广泛的需求。今天就带大家介绍一种固碳混凝土,可能会是未来建筑行业脱碳的关键技术。

通过CCUS技术将二氧化碳封存在混凝土里

CCUS(碳捕集、利用与封存)技术是实现碳中和的关键减排路径之一,其中二氧化碳矿化混凝土技术被广泛认为是在发展中国家最有潜力的利用技术路线。

其原理是通过收集工业排放的二氧化碳将其注入到混凝土中,使其与早期水化成型后的混凝土中胶凝成分和其他碱性钙、镁组分之间形成矿化反应,在混凝土内部孔隙和界面结构处形成碳酸盐产物,从而将二氧化碳永久固结在混凝土中,在实现二氧化碳封存利用的同时,提高混凝土的强度和耐久性。

CO2矿化混凝土技术原理图

目前该技术虽然还没有广泛应用,但是已经有数家公司开发出新型固碳混凝土用于降低建筑隐含碳排放。

  • 加拿大CarbonCure公司

加拿大CarbonCure公司是固碳混凝土行业的引领者,目前CarbonCure公司已在全球400多个工厂安装二氧化碳注入预拌混凝土设备,并且已经在全球20个项目上进行了应用。

根据CarbonCure公司应用数据,将二氧化碳精确注入混凝土中,28天后的平均抗压强度提高了10% ;在将混凝土中的水泥含量减少7%后,强度要求没有得到满足,但将二氧化碳添加到混凝土中,强度能够满足要求,证明掺入足量二氧化碳可替代部分水泥用量,从而起到固碳和减碳的效果。

  • 日本“CO₂-SUICOM”混凝土

日本政府在2020年12月制定的“绿色增长战略”中将固碳作为政策支援的重点领域,并将鹿岛建设株式会社的混凝土“CO₂-SUICOM”指定为吸收和固化CO₂的代表性技术之一。

SUICOM使用一种可以通过与CO₂反应并“碳酸化”而固定的特殊材料(γC2S),作为水泥替代材料的一部分,从而进一步吸收和固化CO₂。实验证明,水泥用量减少到原来的三分之一,而通过碳酸化可吸收的CO₂量为100公斤以上,超过这一部分水泥产生的约90公斤的排放量,从而实现了将排放量减少到零以下的“负碳”。

CO₂-SUICOM”混凝土的减碳分析

普通混凝土为碱性,可以防止内部使用的钢筋等生锈。碳酸化有可能削弱这个功能,因此一直被业界否定。但是,日本研发团队反其道而行之,特意促进CO₂的吸收,并观察固化后的状态。中国电力、日本电气化学与混凝土预制产品制造商兰德斯(冈山)进行合作开发,耗费约两年时间寻找γC2S和其他材料的配比,最终制成了SUICOM。

由SUICOM制成的消波块(右)和普通混凝土

鹿岛技术研究所表示,SUICOM自投入实际使用至今已有10年的时间,其中包括以环保为特征的公寓吊顶、太阳能发电厂的地基等约15个案例。但是以往项目一直重视混凝土的强度等,对其CO₂吸收功能基本上没有需求。但随着全球碳中和期限的临近,该产品的市场附加价值正在被重新评估。

但目前该混凝土的推广受限于区位和价格,SUICOM生产设备制造商仅限于冈山,无法满足大量需求。此外,因其使用特殊的替代材料,所以价格为1公斤100日元(约5.63元),比普通混凝土制品的30日元(约1.69元)高出3倍以上.

 

  • 国内CO2捕集-矿化混凝土

 

目前国内也有相关的固碳混凝土试点企业。其中清洁捕捉是一家清除二氧化碳的创新企业,并致力于碳捕集、利用与封存技术的研发与商业化应用。目前已经通过技术成功将CO2封存在混凝土材料中,实现固碳。

CO2矿化养护混凝土技术是通过高分压力CO2(一般为气体)与预养护或早期水化成型后的混凝土中胶凝成分和其他碱性钙、镁组分之间的矿化反应,在混凝土内部孔隙和界面结构处形成碳酸盐产物,并通过填充效应、界面过渡区消除效应和产物层效应等实现混凝土的强度和耐久性改善。

CO2矿化养护混凝土工艺流程

CO2矿化养护混凝土技术,可以在不降低混凝土建材质量的同时,减少30%原材料中的水泥用量,实现固废的循环利用,同时将捕集的废弃CO2高效利用到混凝土的制造流程环节中,使用CO2气源替代传统高能耗高排放蒸汽,减少了混凝土全生命周期排放的近80%。

据了解,香港有机资源回收中心二期工程(O·PARK2)项目便使用了该固碳混凝土用于减少隐含碳排放,并承诺将成为全国首个在施工期内实现碳中和的绿色工程。该项目是由香港环保署主导、中国建筑国际集团承建的香港目前规模最大的厨余回收中心,于2019年启动,预计于2023年完工并投入使用。

该款混凝土产品在通过了相关质量检测后,已应用于该项目的墙体结构建造环节。经过测算,每使用1立方米的固碳混凝土产品与香港地区传统产品相比较可减少61公斤的二氧化碳排放。

  • 总结

混凝土是目前世界上用途最广、用量最大的建筑材料,其碳排放的降低是建筑领域碳中和的关键路径,而固碳混凝土是目前最具有经济落地性的创新产品之一。

但是其产量依赖于CCUS中碳捕集的推广应用,同时需要对传统水泥厂、预制构件厂进行改造,改良生产工艺,实现与碳捕捉应用的本地化对接,尽可能降低成本。虽然目前该类产品在建筑应用中有一定的限制,但是随着技术的提升,CCUS的普及以及社会对低碳建材的需求增加,未来固碳混凝土在全球的碳中和进程中将大有可为。


参考资料:

技术革新

绿氢——终极绿色能源

2023-1-30 11:59:56

政策信息

一图读懂《关于深入打好污染防治攻坚战迈向建设美丽上海新征程的实施意见》

2022-10-12 10:04:56

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