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    UHPC與可持續發展
    2019-09-27

    “節能減排”是現在社會可持續發展的主題。水泥生產的二氧化碳排放量,約占世界總排放量的5%[1]。近年來,水泥工業雖然努力減排,但遠遠不能抵消水泥產量快速增長而增加的碳排放。發展中國家的水泥需求和產量還會持續增長,預計在2005~2050 年期間,水泥生產的碳排放會再增長2.5倍[2]。提高水泥特別是熟料的使用效率,以及降低混凝土的水泥用量和需求量,是水泥和混凝土工業節能減排的重要手段之一。
    B.L.Damineli等提出了衡量水泥使用的兩個生態效率指標[2]:膠凝材料濃度指數bi(binder intensity )和碳濃度指數ci(CO2 intensity )。bi = b/p,ci = c/p,p表示混凝土達到的性能,b為單位體積混凝土的膠凝材料用量(kg/m3),c為單位體積混凝土原材料生產運輸產生的CO2排放量(kg/m3)?;炷列阅躳一般采用28 d標準抗壓強度(MPa),指數bics(cs-compressive strength,代表抗壓強度)表達“每產生1MPa抗壓強度的膠凝材料用量”;指數cics則表達“每產生1MPa抗壓強度的碳排放量”。統計數據顯示,在中低強度范圍(50MPa以下),bics指數一般在10~20 kg/m3?MPa范圍,隨混凝土強度增大而趨于降低;在高強范圍(60MPa以上),bics指數趨向于5 kg/m3?MPa水平,見圖1a。同樣,cics指數一般在1.5~15 kg/m3?MPa范圍,隨混凝土強度增大也呈下降趨勢,見圖1b。使用當地原材料減少運輸,降低水泥用量、熟料料用量或使用較高強度混凝土,均有助于降低混凝土的碳排放。cics與bics沒有明顯的相關性,因此二者有可能同時達到低水平。

    使用UHPC組成的統計數據[3],可以計算UHPC的膠凝材料濃度指數bics。無粗骨料UHPC-fi,平均水泥用量833 kg/m3,平均硅灰用量為水泥的24%(即200kg/m3),平均抗壓強度為162 MPa,得平均bics = 6.4kg/m3?MPa;有粗骨料UHPC-ca,平均水泥用量715kg/m3,平均硅灰用量為水泥的22%(即157kg/m3),平均抗壓強度為178 MPa,得平均bics = 4.9 kg/m3?MPa??梢?,UHPC的bics 在5 kg/m3?MPa左右,屬于最高效率使用膠凝材料或水泥的混凝土。碳濃度指數cics計算分析相對復雜,但從圖1b顯示的趨勢看,UHPC的cics也處于5 kg/m3?MPa以下的低水平。原材料本地化,使用粗骨料,使用粉煤灰或礦粉替代部分水泥,等等,可有效降低UHPC的碳濃度指數。
    用膠凝材料濃度和碳濃度指數評價,UHPC既有利于提高水泥的使用效率,也有利于減小碳排放,屬于環境友好的工程材料。通過具體工程結構的計算比較,可以量化體現UHPC的節材、節能和減排效果。圖2a為典型的鋼梁-鋼筋混凝土橋面板復合結構公路橋,圖2b為TT型梁UHPC梁板一體公路橋。兩個橋的材質與結構不同,長度、寬度和功能完全相同。下表詳細分析計算了兩個橋使用的材料量、能耗和溫室氣體排放量。對比可見,UHPC橋節材體積為24%,節材重量為35%;節能54%;減少直接排放CO2和全球變暖潛能GWP(當量CO2排放)分別達到59%和44%[4]。
    上述分析證明,作為結構工程材料,UHPC節材、節能和減排作用顯著。如果將UHPC結構的超長使用壽命納入效能評價,或以結構的壽命周期為基礎進行計算評價,UHPC的節材、節能和減排作用還會成倍增大。

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