粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体排放量研究

粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体排放量研究蒲云辉;王清远;李文渊;张国敏;杨平【摘要】因普通混凝土用水泥作为胶凝材料致使其温室气体排放量高,而粉煤灰在碱激活剂的作用下可以作为辅助胶凝材料替代水泥拌制地质聚合物混凝土,该种混凝土具有降低温室气体排放量的潜力.以生产1 m 3粉煤灰基地质聚合物混凝土生产时的温室气体排放量为例研究表明,生产1 m 3地质聚合物混凝土的二氧化碳当量为273.280 kg,其温室气体排放主要集中在碱激活剂的制备和后期高温养护过程,约占总排放量的90%.【期刊名称】《成都大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(037)001【总页数】4页(P105-108)【关键词】地质聚合物;温室气体;二氧化碳当量;水泥;混凝土【作者】蒲云辉;王清远;李文渊;张国敏;杨平【作者单位】成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;四川大学新能源与低碳技术研究院,四川成都 610065;四川大学破坏力学与工程防灾减灾四川省重点实验室,四川成都 610065;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106;澳大利亚皇家墨尔本理工大学工程学院,澳大利亚墨尔本 VIC 3001;成都大学建筑与土木工程学院,四川成都 610106【正文语种】中文【中图分类】TU528.20 引言混凝土是目前全球使用量最多的建筑材料，而混凝土的生产不但需要消耗大量的自然资源，还会产生大量的温室气体[1].混凝土材料的基本组成成分包括：水泥，水，粗、细骨料.尽管粗、细骨料的成分在混凝土中的占比最大，但是水泥生产时的排放量才是混凝土产生温室气体的重要原因.水泥生产过程中产生大量温室气体的主要原因是：一方面，石灰在煅烧中分解出CO2,其化学式为CaCO3→CaO+CO2,可见平均每生产1 t CaO就会产生0.5 t CO2；另一方面，由于石灰煅烧时需要将温度升高到1 400 ℃，期间所消耗的能源也会释放温室气体.有研究表明，因生产水泥产生的温室气体排放量就达人类总排放量的7%左右[2].地质聚合物由Davidovits于1991年首次提出，研究发现，它可以在碱激发的作用下作为胶凝材料取代水泥[3].粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后的产物，富含Si和Al元素，由于其来源广、价格便宜，是常用的地质聚合物之一，其在碱激发剂，如NaOH、KOH和玻璃硅酸盐，的作用下可以作为辅助胶凝材料取代水泥用于拌制粉煤灰基地质聚合物混凝土.为了使粉煤灰基地质聚合物混凝土强度能达到普通混凝土的强度，需要高温养护(40～80 ℃)至少6 h[4].与普通混凝土相比，粉煤灰基地质聚合物混凝土，一方面因减少水泥的用量可降低温室气体的排放量，另一方面又因碱激发剂的制备和高温养护时消耗能源，又会增加温室气体的排放量.因此，本研究拟在基于粉煤灰地质聚合物为主的相关材料的制备工艺和各能耗的碳排放系数等数据基础上，分析生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土产生的温室气体排放量，希望从节能减排的角度，为粉煤灰基地质聚合物混凝土的应用提供参考数据.1 方法1.1 系统边界本研究中，生产1 m3混凝土所产生的温室气体排放量包括：原材料的开采和加工，将原材料运至混凝土搅拌站，混凝土的拌制和养护时直接产生的温室气体，以及由于能源消耗而间接排放的温室气体，具体如图1所示.需要特别说明的是，由于粉煤灰基地质聚合物混凝土需要高温养护，其碱活性剂在制备过程的温室气体排放如图2所示.图1 生产1 m3混凝土温室气体排放的系统边界图2 制备碱激活剂时温室气体排放的系统边界1.2 研究方法不同的温室气体对地球温室效应的贡献程度不同，对此，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提出用二氧化碳当量(CO2-e)作为度量温室气体的基本单位，即一种气体的二氧化碳当量为该气体的吨数乘以其全球变暖潜能值(Global warming potential，GWP).GWP是指在百年时间里，该温室气体对应于相同效应的二氧化碳的变暖影响，其中CO2、CH4、N2O的GWP分别为1、25、298.因此，生产1 m3混凝土的温室气体排放量可以用∑CO2-e表示，其计算式为，(1)式中，∑CO2是指反应时直接排放的CO2总量，Qi是指完成某一个特定活动所消耗第i种能源的数量，碳排放系数EFi是指每消耗第i种能源所导致的CO2-e，该数值综合了所有温室气体的影响.不同燃料类型的碳排放系数如表1所示.为计算生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土温室气体的排放量，本研究涉及的相关数据，如能源消耗数量、材料运输距离以及碳排放量等，是通过实地调研材料生产商、运输商、混凝土生产商，以及分析相关文献数据获得.表1 不同燃料类型的碳排放系数能源类型碳排放系数单位备注煤炭0．518kg/kg来源文献[5]柴油0．592kg/kg国家发展和改革委员会发布天然气0．591kg/kg来源文献[5]电0．963kg/kWh来源：2015中国区域电网基准线排放因子1.3 材料配合比与研究条件1)本研究中，1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的各成分含量如表2所示，其数据来源参照文献[6]中的材料配合比.表2 1 m3粉煤灰基地质聚合物材料构成材料/(kg/m3)粉煤灰基地质聚合物混凝土/1m3细骨料647粗骨料1318水泥粉煤灰437NaOH/10摩尔62硅酸钠∗156水—养护条件24h高温80℃注：硅酸钠溶液的成分为：Na2O=14.7%,SiO2=29.4%,水=55.9%2)相关研究表明，混凝土会与空气中的CO2发生碳化反应，但其结构表面50年后的碳化深度仅为20 mm[7].因此，本研究不考虑混凝土碳化作用对温室气体的影响.另外，在混凝土的拌制过程中所需的添加剂，由于其产生的温室气体量较少[6]，本研究不做考虑.2 结果与分析2.1 水泥水泥生产时，其二氧化碳排放当量的计算较为复杂，除了要考虑石灰分解时释放的CO2，还要考虑加热石灰时消耗能源所排放的温室气体.关于水泥生产的温室气体排放量，联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)提供的数据是1.06 kg/kg,国家发改委(NDRC)提供的数据是0.75 kg/kg，哈佛大学刘竹2015年在Nature上发表的文章中提供的数据是0.74 kg/kg[5].据此，在本研究中，水泥生产时的温室气体排放量取国家发改委和刘竹提供的数据的平均值，即0.745 kg/kg.2.2 粉煤灰由于粉煤灰是火力发电厂煤粉燃烧后的产物，因此有学者提出粉煤灰的原料可以看成是零碳排放的材料[8]，但是粉煤灰运输时需要消耗能源并产生温室气体，因此对粉煤灰的温室气体排放主要考虑后期运输时产生的温室气体排放量.2.3 碱激活剂电解盐水可同时获得NaOH和Cl2，其过程如图3所示.有研究人员通过监测NaOH的制备过程，得出制备1 kg NaOH的温室气体排放量为1.915 kg CO2-e[8].硅酸钠的在制备过程中的能耗及温室气体排放量如表3所示，经过计算得知硅酸钠制备过程中的温室气体排放量为1.222 kg CO2-e/kg.图3 NaOH的制备过程表3 硅酸钠制备过程中的能耗及二氧化碳当量硅酸钠制备过程中的能耗及二氧化碳当量能源消耗/(MJ/t)温室气体排放/(kgCO2⁃e/kg)电31181．065煤炭2960．027油(重型)90．001油(普通、轻型)4560．033柴油1440．010气12700．076其他780．009合计(kgCO2⁃e/kg)1．2222.4 粗、细骨料根据相关文献数据，生产1 t粗骨料和细骨料的温室气体排放量分别为3.66 kg CO2-e及3.12 kg CO2-e[9-10].经计算可知：1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的细骨料与粗骨料的温室气体排放量分别为2.368 kg CO2-e和4.112 kg CO2-e.2.5 原材料运输建筑材料常用的运输方式有铁路、公路和水路3种.由于这3种运输方式所利用的能源不同，其碳排放因子也不相同，具体如表4所示[10].其中，各材料的运输距离取如下值：水泥为30 km、细骨料为20 km、粗骨料为50 km、粉煤灰为50 km，碱激活剂为20 km.运输方式设定为公路(柴油).表4 不同运输方式温室气体排放系数(kg CO2-e/(kg·km))铁路公路(汽油)公路(柴油)水路1×10-52．27×10-41．95×10-43．71×10-52.6 混凝土搅拌资料显示，普通混凝土的生产以及将混凝土运至混凝土预制厂所产生的温室气体排放量为1.05 kg CO2-e/m3[11].据此，粉煤基地质聚合物混凝土的生产以及将混凝土运至混凝土预制厂所产生的温室气体排放量与普通混凝土类似，同取1.05 kg CO2-e/m3.2.7 高温养护为了使粉煤灰基地质聚合物混凝土的强度达到与普通混凝土同样的强度，需要对其进行80 ℃高温养护24 h.本研究中，高温养护混凝土的能耗数据由实验室检测分析得出，具体为：80 ℃高温养护1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土24 h共耗电量为45 KWh.因此，该高温养护过程的碳排放量为，45 KWh/m3×0.963 kg/KWh=43.24 kg/m3.2.8 结果分析生产1 m3粉煤灰地质聚合物混凝土和普通混凝土的温室气体排放量情况如表5所示.表5 生产1 m3粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量/(kg CO2-e)分类混凝土的温室气体排放量/(kgCO2⁃e)原材料生产粗骨料：2．368细骨料：4．112粉煤灰：0碱激活剂：氢氧化钠，11．873 硅酸钠，190．320水：0．05运输过程20．267混凝土搅拌1．05高温养护43．24合计(kgCO2⁃e)273．280从表5中可知，粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量主要集中在碱激活剂的制备(尤其是硅酸钠)和后期高温养护过程，约占其总排放量的90%.生产1 m3粉煤灰地质聚合物混凝土的温室气体排放量为273.280 kg，而通常生产1 m3普通混凝土的碳排放量为321.502 kg[11].可见，在生产相同的情况下，粉煤灰基地质聚合物混凝土的温室气体排放量降低了为15%.3 结论粉煤灰在碱激活剂的作用下可作为辅助胶凝材料替代水泥拌制地质聚合物混凝土，尽管其在碱激活剂的制备以及后期高温养护时因消耗能源而释放大量的温室气体，但因其替代了高温室气体释放量的水泥，其总的温室气体排放量仍然较低.本研究认为，要降低混凝土生产过程中的碳排放量，积极发展与推广应用地质聚合物混凝土是一种可行的技术方案.参考文献：[1]Ellis.Industrially interesting approaches to low-CO2 cements[J].Cem Concr Res,2004,34(9):1489-1498.[2]Huntzinger D N,Eatmon T D.A life-cycle assessment of portland cement manufacturing:Comparing the traditi onal process with alternative 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