摘要
从全球碳中和与可持续混凝土发展角度阐述了低碳混凝土的基本概念及全生命周期的减碳与碳汇核心技术理念.从原材料、混凝土设计、制备、施工、服役及再生利用等全生命周期过程提出了低碳混凝土的三大技术途径——直接减碳、间接减碳及碳汇技术，并分析了每个技术途径下的具体减碳技术路线.综述了混凝土的碳排放评价方法和准则，阐释了混凝土碳排放的生命周期评价方法.提出了低碳混凝土未来的重点研究方向——开发新型胶凝材料以及碳汇技术.
CO2是最主要的温室气体之一，自工业革命以来，温室气体浓度大幅升高引起的全球气候变化已成为各国关注的焦点.2015年签署的《巴黎协定》提出将全球平均气温上升幅度控制在低于工业化水平前2 ℃的水平.为此，各国相继提出温室气体减排、中和目标，其中欧盟、美国、日本等多数发达国家提出在2050年实现中和，中国提出了“2030年前碳达峰、2060年前碳中和”的目标.2021年10月26日，中国国务院发布了《2030年前碳达峰行动方案》，并提出加强新型胶凝材料、低碳混凝土等可持续建筑材料产品的研发与应用.因此，明确低碳混凝土的技术理念与方向意义重大.
除了煤电和钢铁行业之外，水泥是全球CO2排放量最大的工业部门.中国是水泥的生产大国，因此水泥行业成为中国最大的碳排放源之
混凝土是世界上使用最广泛的建筑材料，其可持续发展意义重大.混凝土的可持续发展旨在减少混凝土全生命周期内的能源与资源消耗，减少其对环境的影响.广义上的可持续混凝土是指利用清洁生产技术生产的、在全生命周期内具有满足设计要求的高性能、低能耗、低环境负荷与碳排放的混凝
《2030年前碳达峰行动方案》中，首次提到了低碳混凝土，但对于其仍没有明确的定义.一般认为，低碳混凝土是指从混凝土生产、应用和废弃全生命周期中排放的温室气体相比于传统混凝土明显降低的混凝
发展可持续低碳混凝土需兼顾其全生命周期内的每个环节，只有各环节共同把控，提高效率，才能实现混凝土的低碳发展.
（1）提高能源效率.水泥熟料生产过程中巨大的能源消耗是水泥碳排放高的主要原因之一，可见提高能效是直接有效的减排方式.主要包括水泥窑改进技术、提高粉磨效率、余热回收再利用技术等.
（2）使用清洁电能.水泥熟料生产的破碎、粉磨、输送等过程会消耗电能，使用光伏发电、风力发电、地热能发电、核能发电、海洋能发电等清洁能源，可以满足水泥生产的电力消耗.
（3）使用低碳燃料技术.传统的水泥熟料生产采用的燃料主要为煤炭，燃料燃烧排放的CO2占水泥生产总排放量的30%~40
（4）替代原材料.石灰石为水泥熟料的主要原料，在熟料烧制过程中会分解释放CO2，大约2/3的CO2来自石灰石中CaCO3的分解. 因此，寻求其他钙质原料代替石灰石制备水泥熟料是水泥清洁生产的重要措施.目前，可用来替代石灰石的原料有电石渣、硅钙渣、钢渣等. 其中电石渣中的CaO含量在65%~80%之间，其成分稳定，有害物质少，可以替代石灰石生产水泥.有研究表
（5）CO2捕集技术.CO2捕集技术与水泥生产工艺相结合是水泥清洁生产的可取措施.在水泥生产过程中，通过一定技术提高烟气中CO2浓度以满足从烟气中高效率收集CO2.通常，使用纯氧气代替空气进行助燃的全氧燃烧技术可使排放的烟气中CO2含量达90%以上，大大提高了CO2的收集效率.除全氧燃烧技术外，在水泥行业中也可使用其他CO2捕集技术，如单乙醇胺化学吸收
水泥生产过程中约90%的碳排放来自熟料的烧成.采用水泥组分优化技术可以减少水泥中熟料的用量，进而减少水泥生产的碳排放. 主要包括：
（1）传统固废大掺量使用技术.将粉煤灰、矿渣及火山灰等工业废渣作为活性混合材料替代水泥熟料，是大规模降低水泥碳排放的有效途径之一.目前粉煤灰和矿渣的取代率约为水泥生产量的15%，通过技术改进可以提升至30%~50%.
（2）多元固废低碳复合水
（3）无熟料/少熟料水泥.无熟料/少熟料水泥是一种以矿渣、粉煤灰、赤泥等工业固废为主要原料，采用物理激发、化学活化、多元固废协同等技术制备的新型水硬性胶凝材
国际能源机构提出了2050年世界水泥工业CO2排放总量降低24%的目标，其中37%来自替代胶凝材料的使用.替代胶凝材料一般指的是可以部分或全部代替传统硅酸盐水泥的新型胶凝材
（1）高活性贝利特硅酸盐水泥（RBPC）.RBPC的主要矿物成分为硅酸二钙（C2S）.与普通硅酸盐水泥（OPC）相比，其烧成温度低、能源消耗少，原材料中石灰石的比例低，由石灰石分解产生的CO2排放也相应减少.据估算能耗可降低14 %，煅烧过程排放的CO2可减少6
（2）贝利特硫铝酸盐水泥.贝利特硫铝酸盐水泥的主要矿物成分为硫铝酸钙和C2S，是目前研究较为活跃的替代胶凝材料之一.通常采用石灰石、铝矾土和石膏为原料，在1 250~1 350 ℃下煅烧成熟料，其烧成温度比OPC熟料低100~150
（3）碳化硅酸钙水泥.碳化硅酸钙水泥的主要矿物为硅灰石（CS），但CS资源分布很不均匀，主要分布在亚洲的中国、印度和美洲的墨西哥、美国等国
（4）碳化氧化镁水泥.碳化氧化镁水泥是一种通过MgO碳化维持强度发展的水泥.主要使用两种原材料生产MgO——镁橄榄石和菱镁矿.研究表
（1）超低胶凝材料混凝土.对低碳混凝土来讲，在配合比设计过程中应控制或减少水泥用
（2）紧密堆积理论设计配合比.使用矿渣作为辅助胶凝材料，通过最紧密堆积理论精细化设计混凝土的配合比，可以使超高性能混凝土全球变暖潜能值（GWP）降低42
在混凝土制备过程中，使用工业废渣部分替代碳排放高的水泥是实现混凝土减碳的途径之一.目前使用最多的工业废渣有矿渣、粉煤灰、钢渣、赤泥及铜渣等，它们具有火山灰性或潜在水硬性，可以部分替代水泥来制备混凝土.但这些工业废渣的反应性低于水泥，如果大掺量替代水泥会导致混凝土的力学性能降低.因此，激发工业废渣的潜在活性是大掺量工业废渣混凝土技术开发的关键问题.中国工业废渣潜在活性差异大，针对不同工业固废应采用不同的活性激发方法，以实现工业废渣作为矿物掺合料的高效利用.常用的活性激发方法有化学活化、物理粉磨以及热力学方法.化学活化是通过化学试剂对工业废渣诱导激活，将活性物质溶解，再通过化学沉淀形成反应产
提高混凝土耐久性，延长混凝土工程寿命是节约资源、能源和保护环境的关键措施，也是实现混凝土低碳发展的基本原则之一.主要包括以下技术途径：
（1）混凝土自增强技术.可通过混凝土配合比优化设计、提高混凝土密实度、增强材料改性以及优化孔结构等技术实现混凝土的自增强.
（2）混凝土自防护技术.混凝土自防护主要体现在混凝土材料的自防护和钢筋的自防护. 混凝土材料的自防护可通过优化配合比、添加外加剂等方式实现，而钢筋自防护主要在于钢筋的防锈蚀，如使用不锈钢钢筋、氧化石墨烯表面修饰、喷涂阻锈剂、使用玻璃纤维聚合物增强筋等.
（3）混凝土自修复技术.自修复作为混凝土耐久性提升的一种技术，主要通过水泥基材料修复裂缝延长混凝土的使用寿命，目前混凝土的自修复技术有矿物自修复、微生物自修复、聚合物自修复及微胶囊自修复
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废弃混凝土中包含大量砂石骨料和其他粉体材料，合理循环利用这些材料，不仅可以减少天然材料的消耗，而且可以降低混凝土全生命周期内的碳排放.废弃混凝土高效循环利用技术主要有再生骨料制备技术、废弃粉体制备水泥熟料技术及再生混凝土技术等.废弃混凝土中含有可碳化的Ca（OH）2、水化硅酸钙（C‑S‑H）等水化产物，将废弃混凝土破碎制备骨料可以提高废弃混凝土的比表面积，有利于骨料吸收CO2并发生碳化反应，在一定程度上具有减碳效果.废弃混凝土粉中含有8%~30%的CaO，将其用于水泥熟料的钙质原料，可以降低熟料生产过程中因CaCO3分解产生的CO
水泥混凝土在全球碳循环中扮演着双重角色，其主要原料水泥在生产过程会排放大量的CO2，但混凝土暴露在空气中，部分水泥及其水化产物会吸收CO2并发生碳化反应，被称为混凝土的自然碳化或被动碳
（1）使用建筑垃圾生产混凝土并捕获CO2.日本工程师开发了一种新技术，通过回收废弃混凝土并将其与CO2捕获技术相结合以制造混凝土.一方面，这种混凝土是由旧的混凝土碎石制成的，不仅延长了旧材料的使用寿命，而且该过程可以在约70 ℃下进行，远低于燃烧石灰石所需的温度；另一方面，这种材料可以吸收工业废气或空气中的CO2.该工艺首先将石灰石粉、去离子水和CO2气体混合制成COHCO3溶液，接着将该溶液泵入含有硬化水泥浆粉末或硅砂的模具中，然后将其加热至70 °C，最终得到一种新材料，称之为碳酸钙混凝土. 碳酸钙混凝土的平均抗压强度为8.60 MPa，远低于传统混凝土，但由于其在制备过程中会吸收并封存CO2，因此在未来混凝土低碳发展过程中，碳酸钙混凝土将成为混凝土的主流类型.
（2）可碳化新型胶凝材料固碳技术.可碳化新型胶凝材料主要通过CO2矿化养护实现其高强度，是CO2吸收的一种重要途径，在实现中国“双碳”目标过程中具有很大的潜力.以细钢渣作为胶凝材料，高炉渣作为轻集料制备的钢渣砌块，经过24 h CO2矿化养护后，其抗压强度可达24.00 MPa，CO2固化量约为6.6
日本学者Higuchi开发了CO2‑SUICOM低碳混凝土，其最关键的组成是γ‑C2S粉末.γ‑C2S基本不发生水化反应，但与CO2发生碳化反应，可使混凝土致密化，强度发展性能良好.与一般混凝土相比，用γ‑C2S与粉煤灰替代部分水泥为特征的“CO2‑SUICOM”混凝土28 d CO2固化量为104.5 kg/
随着低碳胶凝材料、低碳混凝土的研究与应用，其碳排放的评价方法受到国内外的广泛关注.碳排放评价方法不仅可以量化混凝土产业中低碳产品的低碳性能，而且可以指引混凝土低碳发展的方向.
碳足迹是对碳排放影响进行评价的一种指标，常被用来评价某一产品（如混凝土）在其全生命周期内的直接和间接碳排放.碳足迹计算方法主要包括生命周期评价法（LCA）、能源矿物燃料排放量计算（IPCC）、投入-产出法（I‑O法）及Kaya碳排放恒等式.目前，认可度、可信度最高的方法是LCA，主要包括确定目标与范围、清单分析、影响评价以及结果解释4个步骤.以不同配合比混凝土的碳排放评价为
| Concrete | mW/mB | Compressive strength/MPa | GWP per unit volume/(kg CO2‑eq· | GWP per unit volume and strength/(kg CO2‑eq· |
|---|---|---|---|---|
| PC | 0.45 | 57.01 | 624 | 9.19 |
| 0.15 FA/PC | 0.46 | 56.57 | 447 | 7.90 |
| 0.42 FA/PC | 0.36 | 67.55 | 474 | 7.02 |
| 0.58 FA/PC | 0.32 | 67.65 | 503 | 7.44 |
| 0.21 GGBS/PC | 0.49 | 47.87 | 407 | 8.50 |
| 0.43 GGBS/PC | 0.45 | 55.44 | 397 | 7.16 |
| 0.71 GGBS/PC | 0.37 | 67.60 | 428 | 6.33 |
除全生命周期评价之外，国内外也有相关标准、指引或规范（见
| Name | Publishing organization | Main application |
|---|---|---|
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| GB/T 24044—2008《Environmental management—Life cycle assessment—Requirements and guidelines》 | General Administration of Quality Supervision, Inspection and Quarantine of the People’s Republic of China | Regulating the requirements for conducting LCA |
| T/CBMF 27—2018《Methods and requirements of low‑carbon products evaluation for ready‑mixed concrete》 | China Building Material Council | Providing for the evaluation methods and requirements of low‑carbon products for ready‑mixed concrete |
低碳混凝土并不是特指混凝土的一个新品种，而是未来混凝土可持续发展过程中需要坚持的一种技术理念与方向.2020年，中国提出了碳达峰、碳中和目标愿景.实现可持续混凝土的低碳发展是一个必然的选择.要实现混凝土的低碳，必须从原材料、施工过程、服役及再生利用等多方面共同推进.但发展低碳混凝土绝不可本末倒置，牺牲混凝土的基本性能或功能，尤其服役环境下耐久性来获取低碳效果.通过直接减碳技术、间接减碳技术以及碳汇技术降低CO2排放，对混凝土的碳中和至关重要，其中开发新型胶凝材料技术以及碳汇技术在未来低碳混凝土发展方面具有很大潜力，也是目前研究的热点与重要研究方向.除此之外，完善混凝土行业全生命周期评价体系与方法，对混凝土的碳足迹及其演变进行合理评价，将有助于推进混凝土的低碳发展进程.
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