混凝土抗压强度与碳排放的关系

碱激发胶凝材料的主要原材料是工业副产品和一些工业废料，这些原材料有的可以直接使用，有的只需要磨细，而无需煅烧过程，使用方便，对环境影响小。如从环境的角度考虑，激发剂是影响环境的主要因素，包括激发剂的品种、用量及浓度等。就碱激发矿渣混凝土中的各组分而言，激发剂的价格相对较高，且某些激发剂的生产过程需要高温处理，在耗能的同时还会排放有害物质（包括CO2）到环境中。因此，研究少激发剂量或用废碱制备高性能碱矿渣水泥基材料非常重要。

使用混凝土时，CO2的排放量主要来自原材料、运输阶段（主要来自混凝土的运输）、生产过程和养护阶段。从原材料与燃料的开采到生产、使用、混凝土服役、废弃混凝土处置以及这些过程中运输和储存等环节都会产生大量CO2。在生产和使用1t水泥所产生的CO2中，因水泥原料排放的CO2约占50%，由燃料燃烧所排放的CO2约占30%。对不同类型胶结材制备的混凝土的碳足迹进行评价与研究，有利于比较各类混凝土的环境性能，对开发新型胶凝材料品种，实现混凝土工业的可持续发展具有重要的意义。

Yang等［1］利用韩国的LCI数据库数据对普通硅酸盐水泥（OPC）、普通硅酸盐水泥+掺合料（矿渣和粉煤灰）（OPC+SCM）、碱激发矿渣水泥（AAS）、碱激发粉煤灰水泥（AAFA）和碱激发偏高岭土水泥（AAMK）制备混凝土的碳足迹进行了研究。各种混凝土的配合比如表12-1所示，研究结果如图12-1所示。

表12-1　混凝土的配合比

注：①普通硅酸盐水泥；②各种混凝土所用粗、细集料分别碎石和海沙；③聚羧酸系减水剂；④掺入粉煤灰和矿渣的普通硅酸盐水泥混凝土；⑤养护方式：OPC、OPC+SCM④和碱激发矿渣为风干养护方式，碱激发粉煤灰和碱激发高岭土为蒸汽养护（85℃/24h）方式。

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图12-1　不同类型混凝土的CO2排放量［1］

由图12-1可知，混凝土CO2排放量随着其抗压强度的增加而增加，和胶凝材料的类型无关，当混凝土的抗压强度从24 MPa增大到70 MPa时，1 m3OPC、OPC+SCM和AAS混凝土的CO2排放量分别增加245 kg、146 kg和146 kg，增长率分别为76%、44%和132%；而当强度相同时，碱矿渣混凝土的碳排放量相比OPC混凝土、OPC+SCM有明显的降低，降低比例分别为55%、75%。

在OPC和OPC+SCM混凝土中，水泥对碳排放量的贡献远远大于碱激发混凝土中的胶凝材料贡献，而碱激发混凝土中激发剂用量对CO2排放量的贡献最大。碱激发混凝土中激发剂的选择和原材料的类型及混凝土的配制强度有关。通常情况下，混凝土的强度等级越高，需要激发剂的碱性越强或浓度越高，如表12-1所示。根据韩国LCI数据库的相关数据，每生产1 t NaOH和Na2SiO3分别产生1.232 t和1.32 t的CO2，然而对于弱碱激发剂，如氢氧化钙，每吨产生的CO2量仅为0.517 t。因此，当碱矿渣混凝土的抗压强度从40 MPa增加到70 MPa时，由于碱激发剂的改变而产生的CO2排放量会增加4.3倍，最终导致了CO2排放量的增加。以碱矿渣混凝土为例，当抗压强度为40MPa和70MPa时，碱激发剂对CO2排放量的贡献分别达31.6%和64.4%。由此可见，碱激发混凝土中的碳排放量很大程度上取决于碱激发剂的用量和种类。

另外，以火山灰和偏高岭土为胶凝材料制备碱激发混凝土时，为了其强度得到良好的发展和产生稳定的水化反应，必须提高其养护温度。因此，碱激发混凝土中CO2的排放量不仅和激发剂的种类、浓度及用量有关，而且与混凝土的养护条件有关。在本研究中，碱激发粉煤灰和偏高岭土混凝土的养护条件为蒸汽养护（85℃/24 h），相比于碱矿渣混凝土而言，24 MPa和40 MPa混凝土的CO2排放量更高些。但当抗压强度为70 MPa时，和抗压强度为24 MPa相比，由于强度增加而产生CO2增量仅为63 kg，增幅较小。因此，当强度为70 MPa时，碱激发粉煤灰混凝土总的CO2排放量较碱矿渣混凝土低，且其总的CO2排放量比OPC+SCM混凝土减少45%。

图12-2　不同强度混凝土的CO2排放量［1］

为了比较相同混凝土抗压强度时，不同类型混凝土的生产与制备过程中CO2排放的情况，将生产OPC混凝土时CO2排放量设为1，计算OPC+SCM、AAS、AAFA以及AAMK混凝土相对于OPC混凝土排放的CO2量，如图12-2所示。由图12-2可知，当抗压强度为40 MPa以上时，OPC+SCM混凝土的CO2排放量比OPC混凝土的CO2排放量低约20%；当抗压强度为24 MPa和70 MPa时，碱矿渣混凝土CO2排放量较OPC混凝土都降低约75%；当抗压强度低于40 MPa时，碱激发粉煤灰混凝土的CO2排放量较OPC混凝土降低近60%。研究结果也表明，尽管碱激发混凝土的CO2排放量随激发剂的类型、浓度和用量而变，但和OPC混凝土相比，碱激发混凝土CO2排放量的降低率达到了55%～75%。