“节能减排”是现在社会可持续发展的主题。水泥生产的二氧化碳排放量,约占世界总排放量的5%[1]。近年来,水泥工业虽然努力减排,但远远不能抵消水泥产量快速增长而增加的碳排放。发展中国家的水泥需求和产量还会持续增长,预计在2005~2050 年期间,水泥生产的碳排放会再增长2.5倍[2]。提高水泥特别是熟料的使用效率,以及降低混凝土的水泥用量和需求量,是水泥和混凝土工业节能减排的重要手段之一。
B.L.Damineli等提出了衡量水泥使用的两个生态效率指标[2]:胶凝材料浓度指数bi(binder intensity )和碳浓度指数ci(CO2 intensity )。bi = b/p,ci = c/p,p表示混凝土达到的性能,b为单位体积混凝土的胶凝材料用量(kg/m3),c为单位体积混凝土原材料生产运输产生的CO2排放量(kg/m3)。混凝土性能p一般采用28 d标准抗压强度(MPa),指数bics(cs-compressive strength,代表抗压强度)表达“每产生1MPa抗压强度的胶凝材料用量”;指数cics则表达“每产生1MPa抗压强度的碳排放量”。统计数据显示,在中低强度范围(50MPa以下),bics指数一般在10~20 kg/m3•MPa范围,随混凝土强度增大而趋于降低;在高强范围(60MPa以上),bics指数趋向于5 kg/m3•MPa水平,见图1a。同样,cics指数一般在1.5~15 kg/m3•MPa范围,随混凝土强度增大也呈下降趋势,见图1b。使用当地原材料减少运输,降低水泥用量、熟料料用量或使用较高强度混凝土,均有助于降低混凝土的碳排放。cics与bics没有明显的相关性,因此二者有可能同时达到低水平。
使用UHPC组成的统计数据[3],可以计算UHPC的胶凝材料浓度指数bics。无粗骨料UHPC-fi,平均水泥用量833 kg/m3,平均硅灰用量为水泥的24%(即200kg/m3),平均抗压强度为162 MPa,得平均bics = 6.4kg/m3•MPa;有粗骨料UHPC-ca,平均水泥用量715kg/m3,平均硅灰用量为水泥的22%(即157kg/m3),平均抗压强度为178 MPa,得平均bics = 4.9 kg/m3•MPa。可见,UHPC的bics 在5 kg/m3•MPa左右,属于最高效率使用胶凝材料或水泥的混凝土。碳浓度指数cics计算分析相对复杂,但从图1b显示的趋势看,UHPC的cics也处于5 kg/m3•MPa以下的低水平。原材料本地化,使用粗骨料,使用粉煤灰或矿粉替代部分水泥,等等,可有效降低UHPC的碳浓度指数。
用胶凝材料浓度和碳浓度指数评价,UHPC既有利于提高水泥的使用效率,也有利于减小碳排放,属于环境友好的工程材料。通过具体工程结构的计算比较,可以量化体现UHPC的节材、节能和减排效果。图2a为典型的钢梁-钢筋混凝土桥面板复合结构公路桥,图2b为TT型梁UHPC梁板一体公路桥。两个桥的材质与结构不同,长度、宽度和功能完全相同。下表详细分析计算了两个桥使用的材料量、能耗和温室气体排放量。对比可见,UHPC桥节材体积为24%,节材重量为35%;节能54%;减少直接排放CO2和全球变暖潜能GWP(当量CO2排放)分别达到59%和44%[4]。
上述分析证明,作为结构工程材料,UHPC节材、节能和减排作用显著。如果将UHPC结构的超长使用寿命纳入效能评价,或以结构的寿命周期为基础进行计算评价,UHPC的节材、节能和减排作用还会成倍增大。