水泥和混凝土的全生命周期碳排放核算

項目負責人

房奎圳，清華大學土木工程系博士后

王強，清華大學土木工程系長聘副教授

水泥和混凝土作為建筑行業(yè)中使用最為廣泛的材料，其生產過程中的碳排放對全球溫室氣體排放量具有重要影響。隨著全球氣候變化問題的日益嚴重，實現建筑材料生產過程的減碳成為實現“雙碳”目標的關鍵環(huán)節(jié)。然而，現有的碳排放核算方法在應對不同低碳發(fā)展路徑時存在適用性問題。本文將開展關于水泥和混凝土全生命周期碳排放核算方法適用性的研究，規(guī)范輔助性膠凝材料（SCM）的碳排放核算方法，分析建筑垃圾處置與再利用階段的碳減排潛力，并為混凝土碳標簽的建立提供理論依據和數據支持。

研究背景

全球氣候變化是當今世界面臨的重大挑戰(zhàn)之一，而溫室氣體排放是導致氣候變暖的主要原因。根據政府間氣候變化專門委員會（IPCC）第五次評估報告，本世紀末全球平均氣溫可能上升3±1.5°C，導致海平面上升和極端天氣事件頻發(fā)。中國政府在2020年提出了“雙碳目標”，明確了減少碳排放的重點領域和技術路線，其中建筑行業(yè)因其高能耗和高碳排放成為重點關注對象。

建筑行業(yè)使用大量能源和材料，產生的溫室氣體排放量巨大。根據世界綠色建筑理事會（WorldGBC）和其他研究報告，建筑行業(yè)的能源消耗占全球總能源使用的40%以上，溫室氣體排放量約占18%-50.9%。在建筑材料中，基于硅酸鹽水泥的混凝土是使用量最大的材料，水泥生產占混凝土碳排放的90%，而水泥行業(yè)本身的碳排放占建筑行業(yè)的8%。因此，準確計算水泥和混凝土的碳排放量，對于實現建筑全生命周期碳排放的有效控制和“雙碳”目標的實現具有重要意義。

研究方法與數據結論

本研究基于全生命周期分析（LCA）和排放因子法（CEF），系統(tǒng)評估了水泥和混凝土全生命周期中的碳排放核算方法（核算邊界如圖1），并重點探討了現有方法在低碳發(fā)展路徑下的適用性。研究內容分為四個部分：

1 預拌混凝土全生命周期及系統(tǒng)邊界

1. 水泥碳排放核算方法的適用性

研究評估了現行水泥碳排放核算標準GB/T 32151.8-2015在不同低碳發(fā)展路徑下的適用性。通過對替代性燃料、提高能效、使用輔助性膠凝材料（SCM）替代熟料、碳捕集與利用（CCSU）以及替代性熟料（RBPC、CSA）的五種低碳路徑進行分析，發(fā)現現有核算方法在大部分路徑下適用，但輔助性膠凝材料的碳排放核算方式的研究存在空白。

通過對五種低碳路徑下的水泥生產數據進行實例核算，驗證了現有核算方法的可行性，并揭示了SCM替代熟料在減少水泥碳排放方面的有效性。

2. 輔助性膠凝材料（SCM）的碳排放核算

研究規(guī)范了四類常用SCM（?；郀t礦渣粉、鋼渣粉、I級粉煤灰、A級石灰石粉）的碳排放核算邊界和方法，計算其碳排放因子。通過對42條粒化高爐礦渣粉生產線、33條鋼渣粉生產線、27條粉煤灰生產線和7條石灰石粉生產線的生產數據調研，得出四類SCM的碳排放因子分別為80.18、94.20、32.01、19.03 kgCO/t。

此外，研究分析了運輸距離對SCM碳排放的影響，發(fā)現運輸排放在SCM生產中占比顯著，不同運輸距離下的碳排放差異較大。

3. 普通混凝土的碳標簽建立與碳排放分析

基于收集的C30-C80普通混凝土配合比數據（圖2），研究建立了混凝土的碳標簽分級制度，并確定了各強度等級下的碳排放臨界值。結果表明，普通混凝土中95%的碳排放由原料碳排放貢獻，其中水泥占比超過90%（圖3）。

圖2 中國不同地區(qū)的數據樣本量

圖3 C30-C80預拌混凝土原料隱含碳排放量

通過對C30普通混凝土、C30堿激發(fā)混凝土（AAC）和C120超高性能混凝土（UHPC）的碳排放對比研究發(fā)現，盡管AAC中的堿激發(fā)劑（NaOH、NaSiO）具有較高的碳排放因子，其在C30體系中仍表現出低碳優(yōu)勢。然而，隨著強度等級提高，堿激發(fā)劑用量增加，可能使AAC的碳排放接近或超過同等級普通混凝土，這需進一步研究驗證。UHPC因高水泥與鋼纖維用量導致碳排放較高，但其優(yōu)異的抗拉、抗彎性能及耐久性，可能通過減少混凝土用量、降低配筋率和維護能耗，顯著削減工程全生命周期碳排放，展現潛在低碳效益。

4. 混凝土處置階段的碳排放核算

研究探討了混凝土處置階段的碳排放核算方法，重點分析了填埋與資源化利用兩種處置方式的碳排放效益。通過情景假設，發(fā)現在相似運輸距離下，資源化利用的碳排放量略高于填埋，但環(huán)境效益顯著，再生骨料的使用對強度影響小，支持其作為一種環(huán)保的處置方式（如表1、圖4所示）。

表1 不同場景下的參數設置

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

圖4 4種情景下C30預拌混凝土的碳排放

研究結論

本研究系統(tǒng)地評估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，得出以下主要結論：

（1）現有水泥碳排放核算體系適用于四類低碳路徑：使用替代燃料、提升能效、以輔助膠凝材料（SCM）替代熟料，以及采用替代熟料如堿激發(fā)水泥（CSA）和混凝土。SCM和CSA通過減少熟料煅燒所需燃料和碳酸鹽消耗，顯著降低碳排放。然而，核算體系未涵蓋的排放包括CCSU技術捕獲的CO、加速碳化過程中利用的CO，以及堿激發(fā)體系前驅體材料的隱含碳。

（2）輔助性膠凝材料的碳排放包括原料運輸、SCM生產電力排放和燃料燃燒排放，可在標準生產工藝和已知運輸距離下，計算不同材料（S95級?；郀t礦渣粉、鋼渣粉等）的碳排放因子。不同粉磨磨機的生產數據對非常用細度范圍下的SCM碳排放因子計算至關重要。

（3）普通混凝土的碳標簽評價等級臨界值隨強度等級提高而增加?；炷林?5%的碳排放來自原料碳排放，其中水泥占總原料排放的90%以上。堿激發(fā)混凝土的碳排放主要由激發(fā)劑和SCM貢獻，而超高性能混凝土主要由水泥和鋼纖維貢獻。使用不同的SCM可以降低OC和UHPC的碳排放。

（4）混凝土處置階段的碳排放包括廢材運輸、填埋、資源化生產排放和再生資源碳匯。廢混凝土塊的處置碳排放量受運輸距離影響較大，資源化利用相較于填埋在相似運輸距離下的碳排放量略高，但仍可顯示出較好的環(huán)境效益。

本研究系統(tǒng)評估了水泥和混凝土全生命周期的碳排放核算方法，特別是水泥碳排放核算方法在低碳發(fā)展路徑下的適用性。通過規(guī)范SCM的碳排放核算方法，建立混凝土的碳標簽制度，并探討混凝土處置階段的碳排放核算，研究填補了現有核算體系的多個空白，為建筑行業(yè)實現“雙碳”目標提供科學依據和技術支持。

項目負責人簡介

房奎圳，清華大學土木工程系博士后，研究領域為綠色建材和固廢資源化利用，主編固廢資源化利用及碳排放相關領域行業(yè)/團體標準5項，專著1部，獲2024綠色礦山科學技術獎技術進步類一等獎。

聯系方式：aloysea@tsinghua.edu.cn

“房地產可持續(xù)發(fā)展”研究資助計劃

本項計劃由清華大學恒隆房地產研究中心于2023年初啟動，該計劃面向清華大學全體教師和研究人員征集，鼓勵和支持我校圍繞房地產行業(yè)的多元場景，開展創(chuàng)新性、跨學科交叉研究等。2024年度研究計劃共資助了10項研究，相關成果發(fā)布會已于2025年1月10日在清華大學舉行。2025年研究資助計劃申報指南業(yè)已發(fā)布，感謝您的關注，期待您的申請與轉發(fā)。

點擊查看：2025年研究資助計劃申報指南

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