陳春貴

摘 要：為了減少水泥生產(chǎn)過(guò)程中CO2的排放量，本文采用煅燒廢棄混凝土的方法代替天然材料制備水泥，計(jì)算并比較兩種再生水泥和對(duì)照水泥的CO2排放量。結(jié)果表明：與對(duì)照水泥生產(chǎn)過(guò)程相比，RP-500的生產(chǎn)可減少92%的CO2排放，且硬化后強(qiáng)度較高。RP-500的強(qiáng)度與對(duì)照水泥相近，可取代普通硅酸鹽水泥。

關(guān)鍵詞：廢棄混凝土；再生水泥；CO2排放量；抗壓強(qiáng)度

1 前言

為了實(shí)現(xiàn)我國(guó)碳達(dá)峰、碳中和這一國(guó)家戰(zhàn)略，推動(dòng)建筑行業(yè)的技術(shù)創(chuàng)新與行業(yè)變革，顯著降低建筑行業(yè)的碳排放尤為重要。CO2排放的一個(gè)重要來(lái)源是普通硅酸鹽水泥的生產(chǎn)[1]。普通硅酸鹽水泥是制作混凝土最常用的膠凝材料。在普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)過(guò)程中，CO2的排放主要來(lái)自原材料和燃料燃燒兩部分。據(jù)報(bào)道，水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的CO2排放量占全球CO2總排放量的大約6%左右[2]。

本文通過(guò)在500℃和900℃下煅燒廢棄混凝土制備再生水泥，1500℃下制備普通硅酸鹽水泥。比較普通硅酸鹽水泥和再生水泥生產(chǎn)過(guò)程中的CO2排放量，計(jì)算了生產(chǎn)過(guò)程中的CO2排放量。分析了兩種再生水泥漿體的水化機(jī)理和抗壓強(qiáng)度，并與對(duì)照水泥漿體進(jìn)行了對(duì)比。通過(guò)熱重分析對(duì)再生水泥漿體的水化產(chǎn)物和捕獲CO2的礦物進(jìn)行了研究。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1基于500°C和900°C的再生水泥的制備方法

由于水泥的水化反應(yīng)兩年之后反應(yīng)基本完成，因此采用齡期超過(guò)兩年的廢棄混凝土作為生產(chǎn)再生水泥的原料。該廢棄混凝土材料的水膠比為0.55，按照溫度20℃±1℃，潮濕環(huán)境下養(yǎng)護(hù)28天，測(cè)試過(guò)抗壓強(qiáng)度后，在室內(nèi)環(huán)境廢棄兩年以上。本研究所用普通硅酸鹽水泥的化學(xué)成分見(jiàn)表1。將廢棄混凝土破碎成粒徑小于10毫米大小的碎片，分別在500℃和900℃下煅燒12小時(shí)，使其充分分解，然后自然冷卻至室溫。用球磨機(jī)把煅燒過(guò)后的碎片研磨成尺寸小于0.3毫米的粉末，然后將制備的水泥粉密封在塑料袋中，放在干燥的地方進(jìn)行進(jìn)一步的測(cè)試。

2.2熱重分析

試驗(yàn)采用熱重分析系統(tǒng)，試驗(yàn)樣品選用重量在80毫克左右的研磨粉。先將粉末在干燥器中干燥2小時(shí)，氮?dú)饬鲃?dòng)以去除內(nèi)部的水分，氮?dú)饬鲃?dòng)速率50ml/min。為了避免室內(nèi)空氣中的CO2對(duì)測(cè)試樣品和CO2排放量的計(jì)算產(chǎn)生影響，試驗(yàn)在純氮?dú)猸h(huán)境中進(jìn)行。試驗(yàn)箱的溫度以10℃/min的速率從20℃增加到900℃。

2.3計(jì)算分解碳酸鈣的CO2排放量

測(cè)試樣品中CO2排放量的計(jì)算基于碳酸鈣在550℃-750℃分解時(shí)的重量損失，采用切線法進(jìn)行計(jì)算。這意味著假設(shè)測(cè)試樣品中CO2排放含量為550°C-750°C左右的重量損失，這是因?yàn)樵诒狙芯恐?，只有CaCO3在550°C-750°C分解。在此溫度范圍內(nèi)，C-S-H中化學(xué)結(jié)合水的失重可以忽略不計(jì)。應(yīng)該指出的是，這種方法應(yīng)該是計(jì)算二氧化碳固定的保守方法，因?yàn)榭赡艽嬖谝恍┢渌V物質(zhì)，其中可能含有額外的二氧化碳。

2.4再生水泥漿體和普通硅酸鹽水泥漿體的制備

將再生水泥或普通硅酸鹽水泥與水混合，水灰比為0.55。由于再生水泥或普通硅酸鹽水泥均在試驗(yàn)前存放在干燥處的密封袋中，因此其內(nèi)部初始水分不受影響。每組制作6個(gè)尺寸為40mm × 40mm × 160mm的棱柱體試件用于力學(xué)性能測(cè)試。

2.5抗壓強(qiáng)度測(cè)試

在第1天和第28天齡期對(duì)棱柱體試件進(jìn)行抗壓強(qiáng)度測(cè)定。壓縮試驗(yàn)由萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)測(cè)定，得到各組試件的平均抗壓強(qiáng)度和標(biāo)準(zhǔn)偏差。

3結(jié)果和討論

3.1普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)中的CO2排放量

圖1-圖3為普通硅酸鹽水泥原料和普通硅酸鹽水泥成品的CO2含量。圖1的熱重結(jié)果表明，石灰石在550℃-750℃分解時(shí)釋放出的CO2，相當(dāng)于40%的重量損失。從圖2可以看出，普通硅酸鹽水泥成品中沒(méi)有CO2殘留，原料中的CO2在燃燒過(guò)程中已經(jīng)全部釋放。根據(jù)生產(chǎn)水泥原料的配比，石灰石通常占原材料的80%左右，那么每噸普通硅酸鹽水泥原料的CO2排放量為0.8×42%= 0.336噸。通過(guò)原材料生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥成品的過(guò)程中約減重33.6%，每生產(chǎn)1噸普通硅酸鹽水泥成品產(chǎn)生的CO2排放量為0.336/（1-33.6%）= 0.51噸。CO2在原材料和普通硅酸鹽水泥成品中所占百分比的比較如圖3所示。根據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，60%的二氧化碳排放來(lái)自熟料，40%來(lái)自燃料。計(jì)算結(jié)果表明，生產(chǎn)1噸普通硅酸鹽水泥原料的燃料所釋放的CO2為0.336 × 4/6 = 0.224噸，生產(chǎn)1噸普通硅酸鹽水泥成品的燃料所釋放的CO2為0.51 × 4/6 =0.34噸。綜上所述，每生產(chǎn)1噸普通硅酸鹽水泥原料產(chǎn)生的CO2排放量為0.56噸，每生產(chǎn)1噸普通硅酸鹽水泥成品產(chǎn)生的CO2排放量為0.85噸。

3.2 RP-500生產(chǎn)中的CO2排放量

RP-500煅燒前后原料中CO2固定量的變化為RP-500熟料的CO2排放量。通過(guò)熱重分析，研究了RP-500煅燒前原料中CO2的初始固定量，結(jié)果顯示RP-500煅燒前原料中CO2固定率約為3.82%。RP-500的原料從20°C到500°C的燒失比例為13%，這意味著每噸原料可以生產(chǎn)0.88噸的RP-500，RP-500的原料中的CO2約為3.82%。根據(jù)RP-500成品的重量，這個(gè)值相當(dāng)于4.39%的CO2。RP-500中CO2的總含量為10%，根據(jù)RP-500的原料的重量計(jì)算，相當(dāng)于7.83%的CO2。因此，從原材料到RP-500成品，二氧化碳排放量為-4.31%，以RP-500原料計(jì)算的話，為-3.037%。二氧化碳排放量的負(fù)號(hào)表示從原材料到RP-50成品過(guò)程中二氧化碳的捕獲。比較了原料與RP-500的CO2固定率，發(fā)現(xiàn)在燃燒過(guò)程中，RP-500成品中CO2的固定量有所增加。

3.3RP-900生產(chǎn)中的CO2排放量

RP-900和RP-500的原料相同。水泥原料從室溫到900℃的失重為17%，也就是說(shuō)，每噸該原料可以生產(chǎn)0.83噸RP-900。由于水泥原料中的CO2約為3.82%，按成品RP-900的重量計(jì)算，該值相當(dāng)于CO2的4.60%。分析CO2在原材料和成品RP-900中的固定情況。RP-900時(shí)CO2的總含量為2.71%，根據(jù)水泥原料的重量，對(duì)應(yīng)CO2的總含量為2.25%。因此，從原材料到成品RP-900，根據(jù)RP-900的重量減少了1.89%，根據(jù)原材料的重量減少了1.57%。

3.4對(duì)比普通硅酸鹽水泥和再生水泥生產(chǎn)的二氧化碳排放量

在本節(jié)中，從兩個(gè)方面來(lái)考慮水泥生產(chǎn)的二氧化碳排放總量：一是來(lái)自燃燒過(guò)程中使用的燃料，二是燃燒過(guò)程中熟料中二氧化碳含量的變化。采用兩種方法進(jìn)行計(jì)算：一種是基于每噸原材料計(jì)算，另一種是基于每噸成品水泥計(jì)算。相關(guān)結(jié)果如表2所示。

表2比較了RP-500、RP-900和普通硅酸鹽水泥生產(chǎn)過(guò)程中的CO2排放量?？梢钥闯?，生產(chǎn)RP-500每噸原料的CO2排放總量?jī)H為普通硅酸鹽水泥的7.9%，生產(chǎn)RP-900每噸原料的CO2排放總量為普通硅酸鹽水泥的26.8%。如表2所示，生產(chǎn)每噸RP-500的CO2總排放量?jī)H為0.069噸左右，與普通硅酸鹽水泥的平均CO2排放量0.85噸相比，減少了約92%的CO2排放量。生產(chǎn)每噸RP-900的二氧化碳總排放量約為0.223噸，與生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥相比，二氧化碳排放量減少了約74%。

3.5普通硅酸鹽水泥和再生水泥的抗壓強(qiáng)度

對(duì)比了再生水泥漿體和普通硅酸鹽水泥在齡期1天和28天時(shí)的抗壓強(qiáng)度。發(fā)現(xiàn)RP-500在28 天齡期時(shí)抗壓強(qiáng)度與普通硅酸鹽水泥抗壓強(qiáng)度相當(dāng)，1天齡期的抗壓強(qiáng)度高于普通硅酸鹽水泥。這表明，本研究生產(chǎn)的再生水泥RP-500可100%替代普通硅酸鹽水泥用于建筑施工。對(duì)于RP-900，其1天和28天齡期的抗壓強(qiáng)度均低于普通硅酸鹽水泥和RP-500，這表明RP-900在抗壓強(qiáng)度方面不如RP-500。

4 結(jié)論

以廢棄混凝土作為原料，采用500℃和900℃煅燒的方法制備了兩種類型的再生水泥，比較了生產(chǎn)普通硅酸鹽水泥和兩種再生水泥的CO2排放量?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：

（1）每生產(chǎn)一噸RP-500的CO2排放量?jī)H為0.069噸左右，每生產(chǎn)一噸RP-900的CO2排放量約為0.223噸。低于普通硅酸鹽水泥的CO2排放量，但仍比RP-500的CO2排放量高2倍以上。

（2）與普通硅酸鹽水泥和RP-900相比，RP-500再生水泥具有許多優(yōu)勢(shì)，包括能源成本更低，二氧化碳排放量更低，二氧化碳捕獲能力更顯著。

參考文獻(xiàn)

[1]朱明，楊超，童顯昕，劉云鵬，胡曙光.類水泥生料組分可循環(huán)混凝土的設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究[J].硅酸鹽通報(bào)，2020，39（11）：3473-3479.

[2]許靜，姜青苗，余豐毅，湯營(yíng)茂，莊凌峰，羅永晉，謝偉杰，劉維麗，錢慶榮，陳慶華.石材固廢資源化利用的碳減排效益研究[J].福建師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）.2022，38（04）：55-62.