“双碳”目标下水泥基材料绿色低碳路径思考与展望

“双碳”目标下水泥基材料绿色低碳路径思考与展望

陈保银, ,邢维维  ,张旭

山东鲁泰环保建材有限公司 山东省济宁市 272350

摘要：建筑材料是国民经济建设、社会进步和国防安全的物质基础。2020年我国以混凝土为代表的建筑材料就已超过70亿吨，约占全球的60%，是人类用量最大的材料之一。作为重大基础设施建设的主体材料，建筑材料性能直接影响国家重大工程的服役性能、使用寿命及全球碳排放总量。

关键词：双碳战略；水泥基材料；碳排放；固体废弃物；服役性能

引言

传统水泥基材料存在很多问题，如抗拉强度低、韧性较低，基本长期处于带裂缝工作，裂缝扩展难以进行控制等。水泥基材料的收缩开裂已成为混凝土结构破坏的重要因素，受到国内外专家学者和工程人员的关注。用纤维增强混凝土改善了混凝土的劈裂抗拉强度、吸水性和线性收缩。用碳纳米管抑制水泥基材料的自收缩。用纳米合成纤维有效抑制了水泥基材料收缩开裂。研究发现内养护能够影响水泥基材料的收缩性能，有效防止水泥基材料早期收缩开裂。

1.建筑材料行业碳排放现状

作为我国建筑行业碳排放的主体，建筑材料的绿色低碳迫在眉睫。《国务院关于印发2030年前碳达峰行动方案的通知》中明确要求工业领域要加快绿色低碳转型和高质量发展，力争率先实现碳达峰。其中，指导建材行业“加强产能置换监管，加快低效产能退出，严禁新增水泥熟料、平板玻璃产能，引导建材行业向轻型化、集约化、制品化转型”,同时指出“鼓励建材企业使用粉煤灰、工业废渣、尾矿渣等作为原料或水泥混合材。加快推进绿色建材产品认证和应用推广，加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建筑材料产品研发应用”。近年来，我国建筑材料工业通过技术进步、产业结构调整和能源结构优化，在2014年以后碳排放基本维系在14.8亿吨以下波动。同时，水泥工业消纳工业废渣4500万吨，其替代石灰石消耗与建筑材料工业余热利用为全社会减少二氧化碳排放4800万吨以上。未来针对国家双碳战略，以水泥基材料为代表的建筑材料行业应坚持创新驱动与绿色发展的理念，发展碳捕捉、利用与封存等前沿技术，加强固体废弃物的资源化利用水平与效率，提升混凝土服役性能与使用寿命，积极应对建筑材料行业的碳中和挑战。

2.“双碳”目标下水泥基材料发展的挑战

第一，水泥基材料的碳中和过程既是机遇又是挑战，该过程将会是经济社会的重大转型，将会涉及到广泛领域的大变革。“技术为王”的理念将会在此过程中充分体现。先进，高效，切实可行的技术研发会主导整个建筑材料行业碳中和过程。第二，实现水泥基材料行业“双碳”的目标，需要与能源结构改革，产业结构转型、消费结构升级等国家重大方针结合。必须坚持市场导向，鼓励竞争，稳步推进。水泥基材料行业自身应加大研发力度，加快相关领域技术和产业的迭代进步速度。第三，“双碳”目标达成过程中，行业的协调共进极其重要，“减碳”“脱碳”等过程可能增加相关行业的额外成本，为防止出现“劣币驱逐良币”的现象，建议国家政策层面上应分行业设计合理的碳中和路线图以及有效的奖励、约束机制。

3.“双碳”目标下水泥基材料绿色低碳研发技术

3.1光镊技术

光镊技术可以实现微小粒子的无损捕获，已被用于多个领域的单颗粒研究。依据光的量子理论，光子与物质接触时会发生能量和动量的传递。其中，光子把动量传递给物质的结果表现为光的力学效应被定义为光压或辐射压力。普通光作用在物体上的光压微乎其微，因此常被忽略，而激光所具有的高能量和高方向性使其力学效应显著。1970年，首次利用单光束激光的辐射压力加速微米粒子的实验，并发现当微粒折射率大于周围介质折射率时，粒子会在两束相向照射激光的对称位置处于稳定的平衡状态。据此，1986年Ashkin等首次利用单光束激光产生的稳定三维光学势阱实现了对介电粒子的光学捕获，继而在水溶液中诱捕和操纵了单个病毒和细菌，正式将这一技术命名为“光镊(Opticaltweezers)”。最初，光镊技术受到远场光学衍射极限的限制，捕获精度停留在微米级。随着人们对近场光学的不断了解，捕获精度提升至亚微米水平。目前光镊技术已深入到纳米尺度，并能精确捕获和操纵单个微粒，已在生命科学、胶体科学及物理学等诸多领域发挥重要作用。对水泥基材料而言，结合光镊技术捕获单个水泥颗粒，有利于实现其水化条件的精准控制，降低不同颗粒之间水化条件的相互影响，获得微米和纳米尺度区间的C-S-H形貌特征、化学组成以及结构参数等信息，可为C-S-H纳米结构模型的优化提供理论依据，对深入分析水泥基材料的物理化学行为具有重要的理论价值。因此，对水泥基材料而言，采用光镊技术可以相对无损地捕获微粒并直接在微米和纳米尺度区间获取信息，有利于C-S-H凝胶纳米结构的研究发展。

3.2石墨烯改性水泥基材料的技术

石墨烯(Graphene)是目前世界上发现的坚固性最高的材料，它的理论杨氏模量可达1.0TPa,固有拉伸强度为130GPa,断裂强度可达42N/m｡自2004年以微机械剥离法制备出石墨烯后，它独特的物理性能及化学性能受到国内外专家学者的广泛关注，也被用于改善水泥基材料的性能。目前石墨烯在水泥基材料的应用研究主要集中在石墨烯的分散方法、力学性能、水化进程、耐久性能、导电性能、导热性能及微观结构等。但是，有关石墨烯改性水泥基材料力学性能的分析研究尚不完善，其流变性能、收缩及抗裂性能影响的系统研究和机理分析也较少见。　石墨烯的掺入会增加水泥浆体的粘度，水泥净浆的流变特性符合宾汉姆模型，水泥浆体呈现出明显的剪切稀化现象。适量掺入石墨烯能够提升水泥基材料的力学性能。当掺量为0.06%时，对水泥基材料的抗压及抗折强度可提升１０％，可提高12.73%劈裂抗拉强度。石墨烯能够抑制水泥基材料干燥收缩及早期自收缩。当石墨烯掺量为0.06%时，石墨烯对水泥净浆的干燥收缩的最佳抑制效果可达２７．４％，但是当掺量过高时，石墨烯的团聚对水泥净浆的变形产生不利影响。石墨烯对水泥石性能的改善主要原因有微集料效应、桥连作用、内养护作用、成核和模板作用。

3.33D打印技术

3D打印技术也称增材制造技术(Additive Manufacturing,以下简称AM)或“添加制造技术(Additive Manufacturing Technology,以下简称AMT),是以模型(CAD或3D模型建模)三维数据为基础,通过切片划分和路径规划,逐层打印叠加成三维立体结构。3D打印技术可有效解决现有施工效率低、安全性差、复杂环境施工难等问题,具有无模化、快速化、智能化、精细化、自动化、灵活化等特点,已成为近几年国内外智能增材制造技术研究的热点间。目前，粉末3D打印水泥基材料仍处于概念验证和初步应用的阶段,所遇问题的解决会涉及材料科学、机械制造方法、自动化控制、建筑结构、设计等一系列跨学科合作。相信通过不断克服和解决所面临的困难和挑战，粉末3D打印技术终将在建筑领域发挥其巨大的应用潜力和优势。

结束语

对水泥基材料而言，采用现代技术可以相对无损地捕获微粒并直接在微米和纳米尺度区间获取信息，有利于C-S-H凝胶纳米结构的研究发展。引入现代技术可控制单个颗粒水化，降低不同颗粒之间的相互影响，为水泥颗粒水化提供相对独立的反应空间。通过控制水化环境进一步解析不同水化条件对C-S-H组成与微观结构的影响，构建更符合实际体系的C-S-H凝胶模型。从微纳尺寸单颗粒水化角度取得C-S-H的组成和结构信息，可进一步丰富水泥化学理论，为深入分析水泥基材料的物理化学行为提供理论依据，对指导水泥基材料性能的改善具有重要意义。

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