[2024年资助成果] 水泥和混凝土的全生命周期碳排放核算-房奎圳

水泥和混凝土的全生命周期碳排放核算

项目负责人

房奎圳，清华大学土木工程系博士后

王强，清华大学土木工程系长聘副教授

水泥和混凝土作为建筑行业中使用最为广泛的材料，其生产过程中的碳排放对全球温室气体排放量具有重要影响。随着全球气候变化问题的日益严重，实现建筑材料生产过程的减碳成为实现“双碳”目标的关键环节。然而，现有的碳排放核算方法在应对不同低碳发展路径时存在适用性问题。本文将开展关于水泥和混凝土全生命周期碳排放核算方法适用性的研究，规范辅助性胶凝材料（SCM）的碳排放核算方法，分析建筑垃圾处置与再利用阶段的碳减排潜力，并为混凝土碳标签的建立提供理论依据和数据支持。

研究背景

全球气候变化是当今世界面临的重大挑战之一，而温室气体排放是导致气候变暖的主要原因。根据政府间气候变化专门委员会（IPCC）第五次评估报告，本世纪末全球平均气温可能上升3±1.5°C，导致海平面上升和极端天气事件频发。中国政府在2020年提出了“双碳目标”，明确了减少碳排放的重点领域和技术路线，其中建筑行业因其高能耗和高碳排放成为重点关注对象。

建筑行业使用大量能源和材料，产生的温室气体排放量巨大。根据世界绿色建筑理事会（WorldGBC）和其他研究报告，建筑行业的能源消耗占全球总能源使用的40%以上，温室气体排放量约占18%-50.9%。在建筑材料中，基于硅酸盐水泥的混凝土是使用量最大的材料，水泥生产占混凝土碳排放的90%，而水泥行业本身的碳排放占建筑行业的8%。因此，准确计算水泥和混凝土的碳排放量，对于实现建筑全生命周期碳排放的有效控制和“双碳”目标的实现具有重要意义。

研究方法与数据结论

本研究基于全生命周期分析（LCA）和排放因子法（CEF），系统评估了水泥和混凝土全生命周期中的碳排放核算方法（核算边界如图1），并重点探讨了现有方法在低碳发展路径下的适用性。研究内容分为四个部分：

1 预拌混凝土全生命周期及系统边界

1. 水泥碳排放核算方法的适用性

研究评估了现行水泥碳排放核算标准GB/T 32151.8-2015在不同低碳发展路径下的适用性。通过对替代性燃料、提高能效、使用辅助性胶凝材料（SCM）替代熟料、碳捕集与利用（CCSU）以及替代性熟料（RBPC、CSA）的五种低碳路径进行分析，发现现有核算方法在大部分路径下适用，但辅助性胶凝材料的碳排放核算方式的研究存在空白。

通过对五种低碳路径下的水泥生产数据进行实例核算，验证了现有核算方法的可行性，并揭示了SCM替代熟料在减少水泥碳排放方面的有效性。

2. 辅助性胶凝材料（SCM）的碳排放核算

研究规范了四类常用SCM（粒化高炉矿渣粉、钢渣粉、I级粉煤灰、A级石灰石粉）的碳排放核算边界和方法，计算其碳排放因子。通过对42条粒化高炉矿渣粉生产线、33条钢渣粉生产线、27条粉煤灰生产线和7条石灰石粉生产线的生产数据调研，得出四类SCM的碳排放因子分别为80.18、94.20、32.01、19.03 kgCO/t。

此外，研究分析了运输距离对SCM碳排放的影响，发现运输排放在SCM生产中占比显著，不同运输距离下的碳排放差异较大。

3. 普通混凝土的碳标签建立与碳排放分析

基于收集的C30-C80普通混凝土配合比数据（图2），研究建立了混凝土的碳标签分级制度，并确定了各强度等级下的碳排放临界值。结果表明，普通混凝土中95%的碳排放由原料碳排放贡献，其中水泥占比超过90%（图3）。

图2 中国不同地区的数据样本量

图3 C30-C80预拌混凝土原料隐含碳排放量

通过对C30普通混凝土、C30碱激发混凝土（AAC）和C120超高性能混凝土（UHPC）的碳排放对比研究发现，尽管AAC中的碱激发剂（NaOH、NaSiO）具有较高的碳排放因子，其在C30体系中仍表现出低碳优势。然而，随着强度等级提高，碱激发剂用量增加，可能使AAC的碳排放接近或超过同等级普通混凝土，这需进一步研究验证。UHPC因高水泥与钢纤维用量导致碳排放较高，但其优异的抗拉、抗弯性能及耐久性，可能通过减少混凝土用量、降低配筋率和维护能耗，显著削减工程全生命周期碳排放，展现潜在低碳效益。

4. 混凝土处置阶段的碳排放核算

研究探讨了混凝土处置阶段的碳排放核算方法，重点分析了填埋与资源化利用两种处置方式的碳排放效益。通过情景假设，发现在相似运输距离下，资源化利用的碳排放量略高于填埋，但环境效益显著，再生骨料的使用对强度影响小，支持其作为一种环保的处置方式（如表1、图4所示）。

表1 不同场景下的参数设置

注：natural fine aggregates (NFA)；Manufactured sand (MS)

图4 4种情景下C30预拌混凝土的碳排放

研究结论

本研究系统地评估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，得出以下主要结论：

（1）现有水泥碳排放核算体系适用于四类低碳路径：使用替代燃料、提升能效、以辅助胶凝材料（SCM）替代熟料，以及采用替代熟料如碱激发水泥（CSA）和混凝土。SCM和CSA通过减少熟料煅烧所需燃料和碳酸盐消耗，显著降低碳排放。然而，核算体系未涵盖的排放包括CCSU技术捕获的CO、加速碳化过程中利用的CO，以及碱激发体系前驱体材料的隐含碳。

（2）辅助性胶凝材料的碳排放包括原料运输、SCM生产电力排放和燃料燃烧排放，可在标准生产工艺和已知运输距离下，计算不同材料（S95级粒化高炉矿渣粉、钢渣粉等）的碳排放因子。不同粉磨磨机的生产数据对非常用细度范围下的SCM碳排放因子计算至关重要。

（3）普通混凝土的碳标签评价等级临界值随强度等级提高而增加。混凝土中95%的碳排放来自原料碳排放，其中水泥占总原料排放的90%以上。碱激发混凝土的碳排放主要由激发剂和SCM贡献，而超高性能混凝土主要由水泥和钢纤维贡献。使用不同的SCM可以降低OC和UHPC的碳排放。

（4）混凝土处置阶段的碳排放包括废材运输、填埋、资源化生产排放和再生资源碳汇。废混凝土块的处置碳排放量受运输距离影响较大，资源化利用相较于填埋在相似运输距离下的碳排放量略高，但仍可显示出较好的环境效益。

本研究系统评估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，特别是水泥碳排放核算方法在低碳发展路径下的适用性。通过规范SCM的碳排放核算方法，建立混凝土的碳标签制度，并探讨混凝土处置阶段的碳排放核算，研究填补了现有核算体系的多个空白，为建筑行业实现“双碳”目标提供科学依据和技术支持。

项目负责人简介

房奎圳，清华大学土木工程系博士后，研究领域为绿色建材和固废资源化利用，主编固废资源化利用及碳排放相关领域行业/团体标准5项，专著1部，获2024绿色矿山科学技术奖技术进步类一等奖。

联系方式：aloysea@tsinghua.edu.cn

“房地产可持续发展”研究资助计划

本项计划由清华大学恒隆房地产研究中心于2023年初启动，该计划面向清华大学全体教师和研究人员征集，鼓励和支持我校围绕房地产行业的多元场景，开展创新性、跨学科交叉研究等。2024年度研究计划共资助了10项研究，相关成果发布会已于2025年1月10日在清华大学举行。2025年研究资助计划申报指南业已发布，感谢您的关注，期待您的申请与转发。

点击查看：2025年研究资助计划申报指南

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