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“双碳”背景下固废基胶凝材料推广应用研究

2024-08-27 6 上传者：管理员

摘要：“双碳”背景下，建材行业碳减排压力巨大。固废基胶凝材料是利用固废之间的协同效应而产生的一种新型胶凝材料，可在特定领域替代水泥使用，促进行业碳减排。文中在探讨固废基胶凝材料推广应用前景的基础上，分析了固废基胶凝材料在推广应用过程中面临的技术、标准和市场三个层面的挑战，提出了加快固废基胶凝材料推广应用的建议。

关键词：
“双碳”
固废
建材行业
碳达峰
胶凝材料
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“双碳”背景下，建材行业碳减排势在必行。建材行业碳减排的主要路径有原料替代、调整用能结构、燃料替代等，其中，原料替代是建材行业碳达峰的关键[1]。水泥行业作为落实建材行业碳达峰实施方案的重点领域，节能降碳的压力较大，原料替代成为水泥碳减排的重要手段。固废基胶凝材料是以高炉矿渣、钢渣、工业副产石膏、粉煤灰、铁尾矿等固废为原料，经加工磨细后按一定比例配制而成的水硬性胶凝材料，可替代水泥材料在工程中应用[2]。经过不同领域的多年实践，固废基胶凝材料技术成熟度逐步提高，应用领域也不断拓展。“双碳”背景下，大力推广固废基胶凝材料是建材行业碳减排的重要补充手段。赛迪研究院在探讨固废基胶凝材料推广应用前景的基础上，分析了固废基胶凝材料在推广应用过程中面临的多种挑战，从夯实研究基础、完善标准体系和推广示范应用角度三方面提出了加快固废基胶凝材料推广应用的建议。

1、固废基胶凝材料推广应用前景

固废基胶凝材料是特定领域中普通硅酸盐水泥的重要替代产品。固废基胶凝材料可用于配制砌筑砂浆、抹灰砂浆和地面砂浆，在铁路、公路、矿井充填等领域替代普通硅酸盐水泥使用，目前已在土木、交通等工程领域进行应用。其中，在土木工程中，固废基胶凝材料配制的混凝土可以达到C10—C80各强度等级的要求。与普通硅酸盐水泥相比，其能够显著提升混凝土的抗腐蚀和抗裂性能，同时，具备成本和价格优势，能够为生产企业带来更可观的经济效益。在道路工程中，固废基胶凝材料配制的混凝土的耐磨性和体积稳定性更好；在铺设路基时，可以作为固化剂直接与土壤拌和使用。在超高性能钢纤维增强混凝土领域，固废基胶凝材料配制的混凝土抗压强度可达160 MPa, 是普通混凝土强度的5倍以上，抗冲击强度是普通建筑混凝土的20倍以上。

固废基胶凝材料的推广应用可以大幅减少建材行业的能源消耗、降低碳排放。我国是全球最大的水泥制造国家。水泥网的数据显示，2023年全球水泥产量为40.72亿 t, 中国水泥产量为20.23亿 t, 约占全球水泥产量的1/2。我国水泥行业碳排放量约占全国碳排放总量的13%,是工业领域主要的碳排放源之一。传统的水泥生产工艺需要石灰石作为原材料，同时，水泥熟料煅烧需要消耗大量的化石能源，固废基胶凝材料的原材料来源为高炉矿渣、钢渣等工业固废，并且生产工艺只需要一段粉磨工艺，因此，可节约大量的资源，降低能源消耗。另外，传统水泥的碳排放主要来自燃料燃烧和工业生产过程，一是原料中的碳酸盐分解过程中排放大量二氧化碳，二是烧结过程中的煤及煤制品燃料亦排放二氧化碳。固废基胶凝材料一方面减少了原料分解过程中的二氧化碳排放，另一方面，从源头上减少了燃烧过程中的碳排放。根据相关企业的生产实践，与水泥相比，每生产1 t全固废胶凝材料可减排0.5 t二氧化碳，能耗降低约70%。

固废基胶凝材料的推广应用是建材行业落实国家双碳“1+N”政策体系的重要举措。国务院发布的《2030年前碳达峰行动方案》提出“加强新型胶凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材产品研发应用”,这是我国从中央层面提出的推广新型胶凝材料的最高顶层设计方案。《“十四五”工业绿色发展规划》从推广资源高效利用和绿色低碳材料的角度提出了全固废免烧胶凝材料、全固废生产绿色混凝土等技术和低碳胶凝建材等产品的推广，《工业领域碳达峰实施方案》从强化工业资源综合利用的角度提出了加快全固废胶凝材料、全固废绿色混凝土等技术研发推广策略，《原材料工业“三品”实施方案》从绿色低碳产品角度提出了支持全固废免烧新型胶凝材料产品研发和产业化的方案，《建材行业碳达峰实施方案》从建材产品减量化的角度提出了加快发展新型低碳胶凝材料、鼓励固碳矿物材料和全固废免烧新型胶凝材料的举措。不论基于提升资源综合利用水平，还是基于推动工业碳减排，推动新型胶凝材料的研发和应用已经受到了国家的高度关注。

2、固废基胶凝材料在推广应用中存在的挑战

固废基胶凝材料在消纳固废和建材行业减碳方面具备明显优势，但是在实际推广和应用过程中，存在如下挑战：

(1)针对固废基胶凝材料的应用技术支持不足。

目前，多固废协同激发技术是通过钢渣、脱硫石膏和高炉矿渣等固废微粉的协同激发效应，使整个体系的稳定性得到大幅度提高。值得关注的是，来自不同地区或者企业的固废的化学成分、微观结构等均存在一定的差异，大部分固废均不能单独作为全固废胶凝材料的主要原料[3],而是采用多固废协同，才能在特定环境下发挥各类固废特殊的性能，以保证产品质量和使用性能达到质量要求。例如，钢渣作为水泥混合材或混凝土掺合料时，并没有创造价值；但是在固废基胶凝材料体系中，钢渣可以与脱硫石膏协同激发矿渣的活性，起到增强混凝土强度的作用[4]。

(2)固废基胶凝材料的相关标准不完善。

目前，国家和地方虽然出台了一系列与工业固废资源化利用相关的产品质量标准和固废基胶凝材料应用的技术规程，但仍缺乏固废基胶凝材料产品标准和应用技术规程。全国标准信息服务平台数据显示，以“胶凝材料”为关键词搜索仅有3项现行标准，均不是替代水泥的相关产品标准；以“矿渣水泥”为关键词搜索仅有10项现行标准，其中，8项为矿渣水泥标准，围绕固废基胶凝材料产品推广应用的针对性不强。矿渣水泥依旧采用的是传统生产工艺，虽然对于资源综合利用有促进意义，但对行业减排意义不大。2020年，中国工程建设标准化协会标准(CECS)T/CECS 689-2020《固废基胶凝材料应用技术规程》颁布，在实际使用过程中，存在省域间不能互认的问题。受资源分布和经济发展的地域差异影响，各地固废种类和性质差异、胶凝材料要求不同，产品质量参差不齐，技术、产品标准和市场监管滞后，缺少适用的规范和标准，影响其大规模推广应用。

(3)产品的市场接受认可度有待提高。

固废基胶凝材料是一种新生事物，需要实践和时间的检验。一是传统观念固化，如在以往的钢渣利用实践过程中，钢渣作为添加剂掺入水泥制品中时，出现过混凝土安定性不良的问题[5],由于缺乏对多固废协同机理的认识，业界还停留在以往的经验认识中，不了解固废基胶凝材料不同于传统的水泥熟料体系，其产品完全可以解决混凝土安定性不良的问题[6]。二是相关产品的标准和规范缺乏，使得产品的市场接受程度较低，导致应用领域较窄。目前，固废基胶凝材料在建筑工程领域中的应用，还没有经过由甲级设计院设计、由权威部门监理、按相关标准验收的案例。因此，固废基胶凝材料亟需在各领域，特别是在民用建筑领域进行应用。

3、促进固废基胶凝材料推广应用的对策建议

(1)加强资金支持，夯实研究基础。

在“双碳”背景下，固废源头减量与绿色循环利用的需求持续上升，亟需国家有关部门统筹使用“固废资源化”等专项资金扶持固废基胶凝材料微观基础理论研究，以及多固废协同机理研究，完善固废基胶凝材料理论体系。应鼓励行业协会积极开展水泥行业碳排放核算报告方法研究和固废基胶凝材料温室气体自愿减排项目方法学研究，为水泥行业纳入碳市场提供理论支撑。

(2)完善标准体系，规范行业秩序。

工业固废综合利用标准体系建设，是推动固废综合利用的重要管理手段。要尽快设立工业资源综合利用行业或者双碳领域标准化技术组织，畅通行业标准上报机制，有针对性地推动固废基胶凝材料相关标准的制修订，强化与产品应用领域标准间的衔接，鼓励制定具有行业引领作用的企业标准。一方面，制定可用于固废基胶凝材料的钢渣、粉煤灰、尾矿等原材料的使用标准，不仅限于对原材料的化学成分、微观结构和特性等的描述和控制，确保原材料产品质量，保障固废基胶凝材料的性能稳定。另一方面，制定固废基胶凝材料本身的质量标准，确保胶凝材料的产品质量稳定、使用性能优良、使用场合准确，避免其在利用时存在的环境和质量风险，促进固废基胶凝材料产品的规范化。

(3)开展示范应用，加大宣传推广。

推动固废基胶凝材料、全固废胶凝材料等低碳胶凝材料的应用，在京津冀及周边地区，建设一批固废基胶凝材料示范项目，以验证固废基胶凝材料的使用性能，提高产品的市场接受认可度。依托钢渣-矿渣-脱硫石膏及煤基固废等多固废协同综合利用体系，进一步发挥钢渣潜在胶凝活性，加快可大量消纳钢渣的固废基胶凝材料技术产业化，推动钢渣综合利用成熟技术在制砖、沥青路面骨料和路基料等领域的推广应用。创新宣传方式和宣传手段，总结推广固废基胶凝材料在不同领域应用的经验做法和典型模式，充分发挥其示范带头作用。

参考文献:

[1]郭倩.四部门:确保2030年前建材行业实现碳达峰[N].经济参考报,2022-11-09.

[2]陈旻蔚.基于CGA-LSO-BP神经网络的固废基胶凝材料混凝土强度预测研究[D].邯郸:河北工程大学,2021.

[3]吴跃.钢渣消纳可发挥固废基胶凝材料的潜力[N].中国建材报,2022-06-27.

[4]崔孝炜,倪文,任超.钢渣矿渣基全固废胶凝材料的水化反应机理[J].材料研究学报,2017,31(9):687-694.

[5]叶雁飞,马伟克,申振伟,等.钢渣对混凝土安定性的影响及评价[J].化工矿物与加工,2024,(2):40-46.

[6]贾新松,陈德平,于晓伟,等.海水浸泡下全固废胶凝材料的试验研究[J].硅酸盐通报,2022,41 (3) :913-921.

文章来源:张玉燕,冯相昭.“双碳”背景下固废基胶凝材料推广应用研究[J].江西建材,2024,(S1):23-24.