羅小東，張杰，彭丙杰，吳濤

（成都建工賽利混凝土有限公司，四川 成都 610015）

目前，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國(guó)預(yù)制混凝土與預(yù)拌混凝土的銷售額占建材工業(yè)的20%左右，已成為建材行業(yè)中規(guī)模最大的的產(chǎn)業(yè)之一。所以，在國(guó)家“雙碳行動(dòng)”的大背景下，混凝土行業(yè)的綠色、節(jié)能、減碳勢(shì)在必行。國(guó)務(wù)院于2021年10月26日發(fā)布了《2030年前碳達(dá)峰行動(dòng)方案》（國(guó)發(fā)[2021]23號(hào)），明確指出要“加強(qiáng)新型膠凝材料、低碳混凝土、木竹建材等低碳建材產(chǎn)品研發(fā)應(yīng)用”。意味著“低碳混凝土”將在國(guó)家“雙碳”推動(dòng)的歷史性進(jìn)程中成為建材產(chǎn)業(yè)的一個(gè)重要引擎和推手發(fā)揮重要作用。

預(yù)拌混凝土在混凝土行業(yè)內(nèi)占據(jù)著較重的份額，如何實(shí)現(xiàn)預(yù)拌混凝土的低碳化，以及如何進(jìn)行碳排放的計(jì)算和評(píng)價(jià)將是整個(gè)行業(yè)都需重點(diǎn)思考的問(wèn)題。預(yù)拌混凝土的碳排放主要來(lái)源于原材料的碳足跡，以及其生產(chǎn)和運(yùn)輸過(guò)程的碳排放。原材料的碳足跡要重點(diǎn)考慮膠凝材料，尤其是水泥，其是混凝土中的碳排放大戶，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)提出《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》（發(fā)改辦環(huán)資[2021]381號(hào)）和《關(guān)于加快推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用示范建設(shè)的通知》（發(fā)改辦環(huán)資[2021]1045號(hào)）的指導(dǎo)思想，也是基于混凝土膠凝材料及骨料的低碳化，以及生態(tài)、環(huán)保的要求。對(duì)于混凝土的生產(chǎn)系統(tǒng)和運(yùn)輸系統(tǒng)，則需綜合權(quán)衡能源的消耗和質(zhì)量的過(guò)程控制，不斷提高智能化和信息化程度，通過(guò)綜合控制，實(shí)現(xiàn)低碳型預(yù)拌混凝土智慧工廠的目標(biāo)。同時(shí)，國(guó)家及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 51366—2019《建筑碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)》、GB 36888—2018《預(yù)拌混凝土單位產(chǎn)品能源消耗定額》和T/CECS《綠色建材評(píng)價(jià) 預(yù)拌混凝土》等，也為建筑和預(yù)拌混凝土的低碳化發(fā)展指出了可借鑒的方向。本文基于此，對(duì)預(yù)拌混凝土攪拌站的碳排放來(lái)源、計(jì)算方法和低碳化的技術(shù)路徑進(jìn)行了詳細(xì)分析和匯總，并提出參考意見(jiàn)。

1 預(yù)拌混凝土碳排放的計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)及評(píng)價(jià)方式

根據(jù)ISO—14067：2018《溫室氣體-產(chǎn)品碳足跡-量化要求和指南》，碳足跡指的是：在一個(gè)產(chǎn)品系統(tǒng)全生命周期中溫室氣體排放量和清除量之和，由二氧化碳當(dāng)量表示。對(duì)于混凝土碳排放的計(jì)算和評(píng)價(jià)而言，其具有一定的指導(dǎo)意義。目前，GB/T 51366—2019中，從建筑工程的實(shí)施、運(yùn)行和終結(jié)的碳排放計(jì)算做了具體的規(guī)定，其中，對(duì)混凝土的生產(chǎn)、運(yùn)輸，以及原材料的碳排放提出了具有參考意義的計(jì)算方式。涉及電力、燃料等能源的碳排放因子是基于單位熱值的碳排放當(dāng)量，并統(tǒng)計(jì)了碳氧化率。依此，可以對(duì)預(yù)拌混凝土的生產(chǎn)環(huán)節(jié)進(jìn)行相對(duì)準(zhǔn)確的碳排放計(jì)算。同時(shí)，其對(duì)低價(jià)值的廢料應(yīng)用可忽略其上游的碳過(guò)程，使用再生原料時(shí)，按其替代初生原料碳排放的50%計(jì)算。但單位燃料的熱值數(shù)據(jù)未給出，混凝土原材料的碳排放因子不全，缺少粉煤灰、礦粉、硅灰等摻合料的碳排放因子，此類摻合料不能按廢料計(jì)算。并且，砂石的碳排放因子是基于具體技術(shù)參數(shù)設(shè)置的，對(duì)混凝土原材料整體碳排放計(jì)算有一定的限制。

基于此，同期實(shí)施的GB 36888—2018中給出了部分燃料和電力的低位發(fā)熱量，見(jiàn)表1。同時(shí)，其針對(duì)特定預(yù)拌混凝土企業(yè)統(tǒng)計(jì)周期內(nèi)的各環(huán)節(jié)能源消耗，給出了更為詳細(xì)的計(jì)算方法，并且對(duì)預(yù)拌混凝土企業(yè)生產(chǎn)和運(yùn)輸環(huán)節(jié)的能源消耗做了具體的限額，見(jiàn)表2。

表1 部分能源折標(biāo)準(zhǔn)煤參考系數(shù)

表2 預(yù)拌混凝土單位產(chǎn)品能耗限額等級(jí)

2020年3月1日實(shí)施的T/CECS 1047—2019對(duì)預(yù)拌混凝土生產(chǎn)企業(yè)提出了具體的綠色評(píng)價(jià)方式。其中設(shè)置的三星級(jí)評(píng)價(jià)指標(biāo)中，重點(diǎn)突出了生產(chǎn)過(guò)程廢棄物利用率達(dá)到100%，固體廢棄物摻量≥30%，工業(yè)廢水排放量為0，并且，避免遠(yuǎn)距離運(yùn)輸以及保持合理的混凝土強(qiáng)度富余量，避免了能源和資源的低價(jià)值或無(wú)價(jià)值體現(xiàn)。同時(shí)，在其討論稿中對(duì)單位混凝土的二氧化碳排放量設(shè)置了限值。并且，其對(duì)C20~C60常規(guī)混凝土的碳排放計(jì)算進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)，完善了混凝土常規(guī)原材料的碳排放因子，以及燃料等的低位發(fā)熱量等數(shù)據(jù)?？赡芸紤]地方差異，以及不同生產(chǎn)工藝的差異，在正式標(biāo)準(zhǔn)稿中將此部分刪除，但此部分?jǐn)?shù)據(jù)仍具有借鑒意義。至此，邊界條件為混凝土原材料生產(chǎn)至混凝土運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng)，預(yù)拌混凝土整個(gè)過(guò)程的碳排放可以實(shí)現(xiàn)較為詳細(xì)的計(jì)算。

因此，從GB/T 51366—2019到T/CECS 1047—2019，對(duì)于預(yù)拌混凝土的碳排放計(jì)算越來(lái)越詳細(xì)，并越來(lái)越具有針對(duì)性。但是，各原材料的碳排放因子為統(tǒng)計(jì)數(shù)值，每個(gè)單位的管理水平及生產(chǎn)工藝不同，以及地方差異，其碳排放因子會(huì)發(fā)生較大的變化。另外，每個(gè)預(yù)拌混凝土企業(yè)的質(zhì)量控制水平不同，其配合比設(shè)計(jì)會(huì)有一定的變化，采用行業(yè)及國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)計(jì)算差異會(huì)較大。所以，建議各地方行政區(qū)域根據(jù)自身的特點(diǎn)，開(kāi)展地方標(biāo)準(zhǔn)的制定，充分考慮地方特色和實(shí)際情況充分融合，實(shí)施一區(qū)域一標(biāo)準(zhǔn)的模式，推進(jìn)國(guó)家雙碳目標(biāo)。另外，由于邊界條件限制，現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)中并未對(duì)混凝土的碳化過(guò)程碳吸收量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。

2 預(yù)拌混凝土碳排放來(lái)源

2.1 預(yù)拌混凝土原材料

2.1.1預(yù)拌混凝土膠材體系

混凝土膠材體系包含水泥、摻合料以及非活性的惰性粉體材料等，其中水泥的碳排放量最大，或者說(shuō)水泥熟料的碳排放量最大，混凝土中最大限度地降低水泥熟料的使用量對(duì)降低膠材體系碳排放至關(guān)重要。目前，水泥熟料生產(chǎn)的碳排放來(lái)源于原料的分解，包括碳酸鈣、碳酸鎂等，還有燃料的燃燒，以及電力、運(yùn)輸消耗的碳排放，其中邱賢榮和汪瀾[1]根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)指出，每生產(chǎn)1 t水泥會(huì)產(chǎn)生直接CO2排放0.815 t，其中0.390 t是由于燃料燃燒產(chǎn)生的，而0.425 t是由于原料的分解產(chǎn)生的，同時(shí)，由于電力消耗，每生產(chǎn)1 t水泥還會(huì)間接排放CO2約0.07 t。沈衛(wèi)國(guó)[2]基于水泥的生命周期，對(duì)水泥的碳排放做了細(xì)致的分析，指出了我國(guó)水泥工業(yè)碳足跡中原料分解、燃料燃燒、電力消耗、運(yùn)輸消耗等的碳排放比重。而且，硅酸鹽水泥的碳足跡中還有29.64%的CO2在100年之內(nèi)被混凝土吸收，這對(duì)我國(guó)整體碳排放控制和消納，具有較重要的意義。

依據(jù)GB/T 51366—2019，水泥的碳排放因子為0.735 tCO2e/t，結(jié)合混凝土其他粉料的生產(chǎn)工藝，水泥熟料是膠材體系中碳排放大戶，減碳首先要考慮的是水泥熟料的優(yōu)化生產(chǎn)和減量使用。

2.1.2 混凝土骨料體系

混凝土骨料主要包括砂、石，其碳排放主要來(lái)源于砂石的生產(chǎn)和運(yùn)輸，集中在電力和燃料消耗的碳排放。依據(jù)GB/T 51366—2019，生產(chǎn)階段其碳排放計(jì)算式為：

式中：Cse——生產(chǎn)階段碳排放，kgCO2e；

Mi——第i種建材消耗量；

Fi——第i種建材的碳排放因子，kgCO2e/單位建材量。

運(yùn)輸階段其碳排放計(jì)算公式為：

式中：Cys——運(yùn)輸過(guò)程碳排放，kgCO2e；

Di——第i種建材的平均運(yùn)輸距離，km；

Mi——第i種建材的消耗量，t；

Ti——第i種建材的運(yùn)輸方式下，單位質(zhì)量、單位運(yùn)輸距離的碳排放因子，kgCO2e/（t·km）。

現(xiàn)行砂石生產(chǎn)工藝多為濕法生產(chǎn)，其粉塵較小，即使是干法生產(chǎn)工藝，其粉塵均設(shè)置了回收系統(tǒng)，并且，即使是部分散失到大氣中，由于其溫度較低，不會(huì)分解釋放CO2，所以，砂石的生產(chǎn)和運(yùn)輸僅考慮其電力和燃料的消耗排放，按式（1）和式（2）計(jì)算即可。同時(shí)，依據(jù)GB/T 51366—2019的附錄中可以查到砂石在2個(gè)階段的碳排放因子，單位距離砂（細(xì)度模數(shù)1.6~3.0）的碳排放因子為2.51 kg/t，石（10~30 mm）的碳排放因子為2.18 kg/t，其碳排放與水泥熟料相比較小，由于近幾年環(huán)保管控原因，骨料廠可能還有其他耗電或耗油設(shè)備，但其碳排放數(shù)值和水泥相比，相差2個(gè)數(shù)量級(jí)，所以，其碳排放也遠(yuǎn)小于水泥。

2.1.3 混凝土外加劑

混凝土外加劑屬于化工產(chǎn)品，僅考慮其生產(chǎn)過(guò)程的電力消耗，以及運(yùn)輸過(guò)程的燃料消耗即可。目前，并未出現(xiàn)單獨(dú)針對(duì)外加劑的碳排放計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)，可依據(jù)GB/T 51366—2019中的電力及化石原料油的碳排放因子，并結(jié)合GB 36888—2018的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

式中：ADCO2——外加劑生產(chǎn)過(guò)程碳排放量，kgCO2e；

EIi——i過(guò)程使用的電力值，kW·h；

EFi——每消耗1 kW·h電力排放的CO2系數(shù)，kgCO2e/（kW·h）。

聚羧酸類減水劑生產(chǎn)電力消耗主要在母液合成階段，10 t的母液合成反應(yīng)釜功率在7.5 kW左右，若其合成母液為40%固含量，合成加熱耗時(shí)8 h，依據(jù)GB 36888—2018中的電力折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)和GB/T 51366—2019中單位熱值CO2排放因子，則每個(gè)固含量的碳排放量為0.0334 kg，如按照預(yù)拌混凝土C30配合比中外加劑用量5~6 kg/m3計(jì)算，母液固含量按12%~15%計(jì)，則其單方混凝土碳排放0.4005~0.5007 kg/m3，與單方混凝土骨料碳排放量相差1個(gè)數(shù)量級(jí)，較小。實(shí)際上，減水劑的生產(chǎn)還包括復(fù)配環(huán)節(jié)，其電力消耗和產(chǎn)量有關(guān)，相對(duì)合成過(guò)程消耗較小。

2.2 混凝土的生產(chǎn)和運(yùn)輸

2.2.1 混凝土的生產(chǎn)

混凝土的生產(chǎn)主要是電能損耗，其每方平均碳排放量可依據(jù)式（4）計(jì)算：

式中：Csc——生產(chǎn)1 m3混凝土CO2平均排放量，kgCO2e/m3；

Ed——年電能的消耗總量，kW·h；

Kd——電能的碳排放因子，kgCO2e/（kW·h）；

N——年混凝土的總產(chǎn)量，m3。

如果骨料上料屬于裝載機(jī)轉(zhuǎn)運(yùn)形式，還需考慮裝載機(jī)的油耗。以某預(yù)拌混凝土企業(yè)耗電量和裝載機(jī)耗油量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，依據(jù)式（4）和GB 36888—2018的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，將用電量和用油量轉(zhuǎn)變?yōu)檎勖毫浚偻ㄟ^(guò)標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，利用單位熱值碳排放量計(jì)算單方混凝土的碳排放量，見(jiàn)表3。

表3 混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放計(jì)算

由表3可見(jiàn)，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)CO2排放量為1.0~1.3 kg/m3。與骨料生產(chǎn)的碳排放因子屬于一個(gè)數(shù)量級(jí)。

2.2.2 混凝土的運(yùn)輸

混凝土的運(yùn)輸可結(jié)合運(yùn)距，綜合考慮電耗或油耗，按式（5）計(jì)算：

式中：Cys——1 m3混凝土CO2平均排放量，kgCO2e/m3；

M——年混凝土的總運(yùn)距，km；

T——單位距離的耗油量或耗電量，L/km或kW·h/km；

D——單位油料或電能CO2排放因子，kgCO2e/L，kg－CO2e/（kW·h）；

N——年混凝土的總產(chǎn)量，m3。

目前，預(yù)拌混凝土企業(yè)混凝土的運(yùn)輸車以柴油車為主，因此，以某企業(yè)的混凝土運(yùn)輸車油耗統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)為例，依據(jù)式（5）和GB 36888—2018的折標(biāo)準(zhǔn)煤系數(shù)，將柴油轉(zhuǎn)化為折煤量，再通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)煤的熱值，利用單位熱值碳排放量計(jì)算單方混凝土的運(yùn)輸碳排放量，見(jiàn)表4。

表4 運(yùn)輸系統(tǒng)碳排放量計(jì)算

由表4可見(jiàn)，混凝土運(yùn)輸系統(tǒng)CO2排放量為10~12 kg/m3。較生產(chǎn)系統(tǒng)碳排放量大。

3 混凝土低碳關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)前文分析，混凝土的低碳化包含4大方面，膠材體系的低碳化、配合比設(shè)計(jì)體系的低碳化和生產(chǎn)及運(yùn)輸體系的低碳化。前兩方面均是從材料角度出發(fā)進(jìn)行設(shè)計(jì)，后兩方面主體針對(duì)智能化設(shè)備及管理體系進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1 混凝土用膠材體系低碳化分析與研究

混凝土膠凝材料的低碳化，主要是針對(duì)水泥熟料進(jìn)行減量化設(shè)計(jì)，目前，國(guó)內(nèi)已有較多此方面的研究和探索。宋少民等[3]對(duì)熟料含量為24%和32%的低熟料膠材進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，C30、C50混凝土采用低熟料膠材后，和易性與P·O42.5水泥混凝土相當(dāng)，強(qiáng)度整體上較高，并且，抗?jié)B性能較優(yōu)。張吉松[4]采用粉煤灰+硅灰以及采用稻殼灰+硅灰分別替代50%的水泥制備低水泥用量超高性能混凝土，力學(xué)性能與基準(zhǔn)相當(dāng)。張同生等[5]利用水泥熟料與多種輔助性膠凝材料固有膠凝活性的差異，通過(guò)調(diào)控各組分種類、用量和粒度，優(yōu)化漿體初始堆積狀態(tài)和水化進(jìn)程，使?jié){體結(jié)構(gòu)逐漸均勻、密實(shí)，提高了復(fù)合膠凝材料的整體性能。

同時(shí)，業(yè)內(nèi)人士比較關(guān)心的是水泥熟料用量降低后，混凝土的耐久性能是否有保證。對(duì)于此，宋少民等[6]對(duì)低熟料膠凝材料增強(qiáng)混凝土的抗裂性能進(jìn)行了研究，表明在圓環(huán)約束法試驗(yàn)中低熟料膠凝材料所配制的混凝土相比普通水泥混凝土晚10 d左右開(kāi)裂。Jiang W[7]和Pipilikaki P[8]等通過(guò)采用低熟料配制復(fù)合水泥，其漿體水化放熱較為緩慢且放熱量較小，漿體內(nèi)部應(yīng)力較小且分布均勻，從而提高了復(fù)合水泥漿體抗開(kāi)裂性能和耐久性。同時(shí)，復(fù)合水泥漿體初始密實(shí)度增加，有害大孔較少，連通孔較少，干燥收縮應(yīng)力也較小。

筆者利用多種工業(yè)廢渣（鋰渣、高鈣灰、水渣、建渣粉、玻璃粉等），依據(jù)Fuller緊密堆積原理，與水泥熟料進(jìn)行“區(qū)間窄分布，整體寬分布”的緊密堆積設(shè)計(jì)[5]，多種工業(yè)廢渣的各區(qū)間粒度含量見(jiàn)表5。

表5 各粉料的粒徑分布

通過(guò)多元復(fù)合緊密堆積計(jì)算，實(shí)現(xiàn)復(fù)合水泥漿體的初始緊密堆積，實(shí)現(xiàn)了大摻量工業(yè)廢渣復(fù)合水泥的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度符合GB 175—2007《通用硅酸鹽水泥》的規(guī)定。由其配制的混凝土與P·O42.5水泥配制的混凝土相比，抗碳化性能得到提升，見(jiàn)表6。

表6 混凝土碳化深度

并且，通過(guò)掃描電鏡（見(jiàn)圖1）發(fā)現(xiàn)，水化反應(yīng)進(jìn)行到28 d，摻合料活性得到充分激發(fā)，生成的水化產(chǎn)物大幅度增加，混凝土的微觀結(jié)構(gòu)密實(shí)度進(jìn)一步提高，結(jié)合廢渣粉的填充性，提高了混凝土的整體密實(shí)性，從而，使得混凝土的力學(xué)性能及耐久性能得到改善。

對(duì)于混凝土而言，水泥或輔助性膠凝材料為過(guò)渡性材料，其性能指標(biāo)應(yīng)以滿足混凝土性能為主，并且應(yīng)以混凝土性能來(lái)評(píng)價(jià)膠凝材料性能。筆者對(duì)水泥-粉煤灰-礦粉體系做了大量統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其綜合復(fù)合活性超過(guò)60%后，采取50%的摻量取代水泥，對(duì)C30混凝土進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，即可通過(guò)與骨料共同作用，貢獻(xiàn)滿足設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度。所以，當(dāng)下混凝土膠材體系應(yīng)更多的利用低活性輔助性膠凝材料，尤其是低品位工業(yè)廢渣和建筑廢渣，與高活性材料協(xié)調(diào)激發(fā)，發(fā)揮多元復(fù)合效應(yīng)。同時(shí)，這也符合《關(guān)于“十四五”大宗固體廢棄物綜合利用的指導(dǎo)意見(jiàn)》《關(guān)于加快推進(jìn)大宗固體廢棄物綜合利用示范建設(shè)的通知》等國(guó)家低碳環(huán)保的指導(dǎo)方向。

通過(guò)以上分析可知，對(duì)混凝土膠材體系低碳化而言，應(yīng)對(duì)膠材體系進(jìn)行高活性輔助性膠凝材料、水泥熟料、低活性輔助性膠凝材料、惰性材料等開(kāi)展多區(qū)間設(shè)計(jì)，充分發(fā)揮膠材體系的活性效應(yīng)和緊密堆積效應(yīng)，在大幅降低水泥熟料用量的情況下，有效保證或提高混凝土的性能。

3.2 混凝土配合比設(shè)計(jì)體系低碳化分析與研究

混凝土配合比設(shè)計(jì)低碳化的主要路徑是在優(yōu)化其材料性能的同時(shí)，大幅降低高碳排放材料的使用量。趙筠和路新贏[9]指出，提高全系列固體顆粒的堆積密實(shí)度，水泥的“凝膠效率”會(huì)同步提高，普通強(qiáng)度混凝土的水泥可用30%~50%活性或非活性礦物摻合料替代。因此，混凝土配合比設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮粗骨料形成的骨架效應(yīng)，和低活性或惰性廢渣粉體材料的填充效應(yīng)。蔡志達(dá)等[10]利用裹漿厚度設(shè)計(jì)混凝土配合比，以致密配比為基礎(chǔ)，配合Fuller曲線，對(duì)骨料漿膜層厚度進(jìn)行詳細(xì)推算，對(duì)混凝土性質(zhì)做了更精準(zhǔn)的定量分析，但過(guò)程過(guò)于復(fù)雜。傅沛興[11]針對(duì)混凝土骨料，提出了比粒度的概念，研究骨料的緊密堆積，為混凝土骨料級(jí)配設(shè)計(jì)提供了新思路。

基于此，對(duì)混凝土骨料顆粒的物理密實(shí)度進(jìn)行了較詳細(xì)的研究。將連續(xù)級(jí)配骨料進(jìn)行篩分，區(qū)分為三級(jí)骨料，粒徑范圍分別為5~10、10~20、20~31.5 mm，進(jìn)行不同比例搭配，同時(shí)進(jìn)行Fuller緊密堆積計(jì)算，測(cè)試骨料空隙率、堆積密度和比表面積比值，見(jiàn)圖2。

由圖2可見(jiàn)，骨料空隙率和骨料比表面積比值無(wú)相關(guān)性，但和骨料堆積密度有較好的相關(guān)性，相關(guān)系數(shù)達(dá)0.812，隨著空隙率的增大，骨料堆積密度不斷降低，此種關(guān)系可作為混凝土骨料緊密堆積設(shè)計(jì)的依據(jù)和理論基礎(chǔ)。

同時(shí)，對(duì)混凝土粉料體系的物理密實(shí)度進(jìn)行了分析與研究，其物理密實(shí)度同樣依照Fuller緊密堆積理論，并且為接近生產(chǎn)實(shí)際，摻合料摻量設(shè)定為30%，選取了普通混凝土常用粉體材料進(jìn)行級(jí)配分析與設(shè)計(jì)，見(jiàn)圖3。

通過(guò)各粉料粒度分布計(jì)算，并結(jié)合圖3可知，在水泥占比70%、粉煤灰占比18%、礦粉占比12%時(shí)，得到的粒度分布曲線趨近于標(biāo)準(zhǔn)Fuller曲線。同時(shí)進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證（見(jiàn)表7），實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算值相符。

表7 粉體堆積密度和活性

同時(shí)，以此結(jié)合前文的骨料級(jí)配設(shè)計(jì)，開(kāi)展混凝土驗(yàn)證試驗(yàn)，結(jié)果見(jiàn)表8。

由表8可見(jiàn)，采用Fuller緊密堆積原理進(jìn)行全級(jí)配設(shè)計(jì)后，混凝土狀態(tài)與基準(zhǔn)相當(dāng)，由于其空隙率較低，所以，減少了混凝土配合比中膠材用量。C30、C40分別降低膠材26、30 kg/m3，混凝土狀態(tài)依然與基準(zhǔn)相當(dāng)，但無(wú)論是標(biāo)準(zhǔn)養(yǎng)護(hù)，還是同條件養(yǎng)護(hù)，強(qiáng)度并未降低，反而有一定幅度的提升。這是由于混凝土的初始密實(shí)度較大，骨架作用得到了較大程度的體現(xiàn)，同時(shí)，骨架作用對(duì)混凝土提高抗裂性和彈性模量也是有益的，這也正是設(shè)計(jì)混凝土全級(jí)配緊密堆積的最終目的。

表8 固體顆粒緊密堆積設(shè)計(jì)對(duì)混凝土狀態(tài)和強(qiáng)度的影響

因此，通過(guò)以上分析，混凝土配合比設(shè)計(jì)的低碳化路徑：一方面，要優(yōu)化骨料級(jí)配和形貌，骨料顆粒首先要達(dá)到靜態(tài)的緊密堆積；另一方面，要優(yōu)化膠材體系級(jí)配，實(shí)現(xiàn)多區(qū)間設(shè)計(jì)，單區(qū)間窄分布，整體區(qū)間寬分布，在達(dá)到緊密堆積的同時(shí)，有效降低膠材用量，充分發(fā)揮大摻量工業(yè)廢渣和建筑廢渣與水泥熟料的協(xié)調(diào)效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)基于配合比設(shè)計(jì)的低水泥熟料+大摻量摻合料體系的應(yīng)用。

3.3 預(yù)拌混凝土智能生產(chǎn)和運(yùn)輸體系低碳化分析與研究

混凝土生產(chǎn)和運(yùn)輸體系低碳化路徑主要是利用智能化的設(shè)備和計(jì)算系統(tǒng)減少人力、物力的不必要消耗，同時(shí)達(dá)到節(jié)約燃料油和電力消耗，實(shí)現(xiàn)廢水、粉塵、固廢的零排放及循環(huán)利用等，并且，在此基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)混凝土整體性能的過(guò)程可控?；炷辽a(chǎn)系統(tǒng)涉及的內(nèi)容較多，包含廠區(qū)的合理布局、原材料進(jìn)場(chǎng)的儲(chǔ)存方式、降塵和收塵、配料系統(tǒng)的精確性及傳輸計(jì)算的關(guān)聯(lián)及時(shí)性、攪拌系統(tǒng)的智能化、廢漿廢水及固體廢棄物的回收及循環(huán)利用等，需依次進(jìn)行關(guān)聯(lián)性設(shè)計(jì)。

依據(jù)GB 36888—2018，電力的折煤系數(shù)遠(yuǎn)小于柴油的折煤系數(shù)，所以，混凝土生產(chǎn)系統(tǒng)中的骨料上料系統(tǒng)應(yīng)由柴油鏟車頻繁轉(zhuǎn)移骨料的方式轉(zhuǎn)變?yōu)楦呶涣Ⅲw料庫(kù)，從消耗柴油轉(zhuǎn)變?yōu)橄碾娏Αｊ惙降萚12]設(shè)計(jì)了一種基于絕對(duì)值編碼器的立體料庫(kù)骨料全自動(dòng)布料系統(tǒng)，具備信號(hào)干擾小、一鍵啟停的特點(diǎn)，其通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證，此系統(tǒng)具有可靠性、穩(wěn)定性、準(zhǔn)確性的優(yōu)勢(shì)，避免了在攪拌站運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)鏟車頻繁轉(zhuǎn)移骨料。同時(shí)，生產(chǎn)控制系統(tǒng)是依據(jù)已優(yōu)化的配合比，實(shí)現(xiàn)配料的精準(zhǔn)性，避免配料誤差大、精度低、故障率高等問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)減碳的目的。艾小松[13]運(yùn)用基于遺傳算法改進(jìn)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)混凝土配料過(guò)程誤差進(jìn)行補(bǔ)償，通過(guò)工控機(jī)和PCL，配以高精度的數(shù)字模塊化，組成一體化計(jì)算機(jī)多級(jí)自動(dòng)控制系統(tǒng)，利用對(duì)混凝土攪拌站配料系統(tǒng)的集成自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)了高智能化配料的高精度、高速度。并且，基于生產(chǎn)系統(tǒng)智能化的減排環(huán)保手段，還有原材料質(zhì)量控制智能化、全封閉智能除塵、沖料系統(tǒng)智能化、廠區(qū)綠化，以及智能檢測(cè)系統(tǒng)等。

運(yùn)輸系統(tǒng)的低碳化主要是通過(guò)智能化的調(diào)度系統(tǒng)，減少車輛的等待時(shí)間，實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)的協(xié)同供應(yīng)。Feng等[14]利用一般遺傳算法，仿真模擬了單一商品混凝土站供應(yīng)多個(gè)工地的調(diào)度問(wèn)題，但其建立的模型過(guò)于理想化。鄭武[15]利用配送中心理論建立了預(yù)拌混凝土供應(yīng)車輛調(diào)度模型，并計(jì)算了出車順序和出車時(shí)間，期望做規(guī)律化調(diào)整等。無(wú)論是國(guó)內(nèi)，還是國(guó)外，提出的關(guān)于車輛調(diào)度窗口時(shí)間的設(shè)計(jì)方法比較多，但均存在實(shí)用性較低的共性問(wèn)題。原因是施工項(xiàng)目管理和進(jìn)度的不可控。所以，要達(dá)到車輛的無(wú)價(jià)值運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間有效減少，務(wù)必要將攪拌站的生產(chǎn)和施工進(jìn)度做到有機(jī)的結(jié)合，進(jìn)行整體化控制設(shè)計(jì)，降低綜合碳排放。

同時(shí)，目前市場(chǎng)上標(biāo)載化的推行，預(yù)拌混凝土攪拌站需綜合考量油車和電車的性價(jià)比。另外，攪拌站的綠色低碳化還包括廠區(qū)內(nèi)廢漿廢水，以及固體廢棄物的綜合利用等，尤其是零排放智慧工廠的推行，更促進(jìn)了預(yù)拌混凝土企業(yè)的智能化改造。

4 結(jié)論

（1）目前，混凝土各原材料，以及燃料類、電類等的碳排放因子的統(tǒng)計(jì)工作還不夠完善，依據(jù)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行預(yù)拌混凝土的碳排放評(píng)價(jià)，準(zhǔn)確度相對(duì)不高。尤其是地方差異、材料生產(chǎn)工藝的差異，其碳排放因子會(huì)發(fā)生較大的變化。所以，建議積極開(kāi)展地方標(biāo)準(zhǔn)的編制，將地方和國(guó)家、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)相結(jié)合，推進(jìn)國(guó)家雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

（2）綜合預(yù)拌混凝土的碳排放來(lái)源，降低水泥或水泥熟料用量是減少預(yù)拌混凝土碳排放的有效措施，一方面，應(yīng)充分考慮骨料級(jí)配和形貌，骨料顆粒要達(dá)到靜態(tài)的緊密堆積；另一方面，要優(yōu)化膠材體系級(jí)配，實(shí)現(xiàn)多區(qū)間設(shè)計(jì)，單區(qū)間窄分布，整體區(qū)間寬分布，在達(dá)到緊密堆積的同時(shí)，有效降低膠材用量，充分發(fā)揮大摻量工業(yè)廢渣和建筑廢渣與水泥熟料的協(xié)同效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)基于配合比設(shè)計(jì)的低水泥熟料+大摻量摻合料體系的應(yīng)用，從而實(shí)現(xiàn)減碳的目的。

（3）預(yù)拌混凝土攪拌站的生產(chǎn)和運(yùn)輸體系低碳化路徑：一方面，是生產(chǎn)系統(tǒng)的智能、高效運(yùn)轉(zhuǎn)，減少中間無(wú)價(jià)值消耗，最大化的降低自產(chǎn)廢料量或?qū)崿F(xiàn)回收利用，達(dá)到零排放的目的和花園式工廠模式；另一方面，是運(yùn)輸系統(tǒng)和施工項(xiàng)目進(jìn)度控制得到有機(jī)結(jié)合，進(jìn)行整體化控制設(shè)計(jì)，減少車輛的無(wú)價(jià)值運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間，降低綜合碳排放。

（4）預(yù)拌混凝土攪拌站除了考慮直接減碳技術(shù)，還應(yīng)充分考慮間接減碳技術(shù)，有效提高混凝土的品質(zhì)和壽命，有效降低維護(hù)成本。同時(shí)，預(yù)拌混凝土作為重要的建材之一，還應(yīng)充分考慮吸碳設(shè)計(jì)，做到一個(gè)混凝土攪拌站等同于一片森林，真正實(shí)現(xiàn)零排放生產(chǎn)。