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美国东北地区混凝土行业的低碳发展及采购政策
编者按：混凝土是建筑部门碳排放的主要来源之一，经过多年的技术革新，目前低碳混凝土等创新解决方案已成为降低建筑隐含碳的可选方案。本文以美国的混凝土行业为例，从以下三个方面介绍其减排与采购政策思路：（1）混凝土的减排途径；（2）如何制定环境产品声明（EPD）评估混凝土的环境影响；（3）使用低碳混凝土对制造商、消费者的成本和效益分析。为实现双碳目标，中国也在积极稳妥地推动建材行业减排，推广绿色低碳建材应用，本文希望通过国际经验的分享，为中国建筑及建材行业的低碳发展提供参考。
混凝土生产商可以用低碳替代品替代约40%的传统水泥。仅在美国，增加SCM每年就可以减少2700万吨二氧化碳当量排放，这大约相当于美国道路上减少590万辆汽车带来的减排量。
除此以外，使用再生混凝土作为骨料，提高水泥窑效率，以及采用创新技术在搅拌或养护过程中将碳封存在混凝土中，都是有效的混凝土减排途径。下表描述了各种混凝土减排策略及其在美国东北地区的应用情况：
表1：混凝土减排途径
混凝土的碳排放影响有多大？
环境产品声明（Environmental Product Declarations, EPD）是国际上报告混凝土与其他建筑材料碳含量的标准方法。混凝土EPD可透露出与其制造过程相关的各种环境影响，包括全球变暖潜势（Global Warming Potential, GWP）, 即衡量单位混凝土温室气体排放总量的指标。关于制造商如何制定EPD的信息将在下一节中描述。
美国东北地区预拌混凝土产品的平均GWP水平往往高于全美平均水平（见表2）。预制混凝土和混凝土砌块等其他产品因缺乏可用的EPD数据而未被列出。
表2：预拌混凝土产品GWP，美国东北地区平均水平vs全美平均水平
注：美国东北地区包括缅因州、新罕布什尔州、佛蒙特州、马萨诸塞州、罗德岛州、康涅狄格州、纽约州、新泽西州和宾夕法尼亚州。
来源：EC3
截至本报告发布之日，位于东北地区的各水泥制造商共提供了8421份预拌混凝土EPD，覆盖各种强度水平。下表详细介绍了提供这些EPD的制造商。
表3：东北地区制造商及其可用EPD
注：Aggregate Industries USA是国际水泥企业拉法基豪瑞的大型子公司。
来源：EC3
EPD是如何制定的？成本是多少？
大多数采购政策都要求混凝土供应商提供经第三方认证的Ⅲ型环境产品声明（EPD）来披露混凝土的含碳量。要制定EPD，供应商必须与第三方服务供应商合作，为产品进行生命周期评估。本报告的附录列出了美国的服务提供商名单。这个过程通常包括：
1. 数据收集：服务提供商收集产品输入、生产能耗和化学过程排放的数据。为了成本、质量控制和监管目的，制造商会定期追踪EPD所需的数据，因此这类数据收集起来较为容易。
2. 生命周期评估与EPD报告编写：服务提供商必须按照指定的ISO标准及产品类别规则来进行编写，这些规则对进行生命周期评估的要求与指南进行了明确解释。
3. 验证与发布：一经生成，EPD需要由第三方进行验证，并向公众进行公开发布。
4. 有效期：EPD的有效期为五年，在过期后需重新再走一次整个流程。
EPD提供商是根据每座混凝土工厂，而不是每份EPD来定价。根据对美国三家受欢迎的EPD提供商的调查，一座混凝土工厂不限量获取EPD的费用包括：第一年的初始费用3000至5200美元，之后每年的费用为1500美元至2990美元。一些提供商提供基于功能和许可类型的分级成本，并可能对多个工厂提供折扣价。在Climate Earth公司的例子中，一家拥有5座工厂的混凝土公司需要支付的初始费用为8200美元，后续费用为每年4750美元——相当于每座工厂第一年支付1640美元，随后每家工厂每年支付950美元。
第三方验证费用是单独的费用，具体金额根据产品的复杂性和一次性提交的EPA数量有所区别。单份EPD的验证费用可能高达2千美元，而一次性提交最多14份EPD的验证费用则约为1万美元。
随着美国东部地区对低碳混凝土产品的需求不断扩大，当地的混凝土和水泥供应商将更加自信地在EPD与碳减排解决方案上加大投入，以在竞争日益激烈的市场中脱颖而出。以补助金、税收减免或绩效奖金等形式提供初步财政支持，帮助小型企业开发EPD，可以加速市场的发展，而且在目前少有制造商提供EPD的地区，这些都可能成为采购政策获得成功的关键因素。
对制造商而言，还有哪些其他成本和效益？
表1中描述的每种减排方案都可以为混凝土供应商或水泥制造商带来效益，但都离不开不同程度的前期投资。
在混凝土配比配方中引入新的SCM需要大约6个月的研究和测试，以确保最终产品能够满足所有的性能要求。此外，SCM与再生混凝土骨料（recycled concrete aggregates, RCA）需要储存在单独的筒仓中，这可能会占用有限的预混合场地空间。然而，一旦这些初始投资完成，SCM可以节约高达45美元/吨的水泥混合料成本，甚至还能提供比传统混合料更高的耐久性和其他技术优势。RCA的应用也可以降低成本，尤其是在现场加工骨料的情况下。对于非结构性应用场合，与天然骨料相比，使用现场采购的RCA可节约60-80%的直接成本。
对水泥制造业来说，用通过可持续方式生产的生物质燃料替代煤炭可能会增加燃料成本。窑炉效率的提高可以通过减少生物质燃料需求量来降低这种影响。水泥生产商与合适的生物质来源之间的距离也会对燃料成本造成较大影响。
买家端的成本与效益是什么？
一些承包商可能对低碳混凝土不够熟悉，或因其需要比传统混凝土稍长的养护时间而犹豫不决。然而，一旦固化，低碳混凝土的性能并不亚于传统产品。一些低碳混凝土产品甚至可提供更好的抗压强度，从而提高其性能。
混凝土的成本因地区而异。根据美国总务管理局进行的一项全国市场调查显示，在接受调查的130多家企业中，有超过55%的企业表示，他们的低隐含碳产品与传统混凝土产品的成本大致相同。在最近一次与RMI的采访中，马萨诸塞州的一家供应商指出，低碳混凝土每立方码（0.76立方米）的成本比传统产品高2-20美元（根据水泥强度不同而有所差别）。随着越来越多的本地供应商开始提供低碳混凝土，这些成本溢价有望继续下降。在美国西部等低碳混凝土已经普及的地区，低碳水泥的成本溢价还不到1%。在普吉特湾地区，混凝土的整体碳影响在2021年下降了18%，而消费者的成本并没有增加。
低碳混凝土对环境和人类健康有何益处与影响？
混凝土碳含量高的主要原因来自于其中一种关键成分的制造，即普通硅酸盐水泥（波特兰水泥）。水泥制造业是美国第三大工业污染源头，每年排放超过50万吨二氧化硫、氮氧化物和一氧化碳。这些排放与多种环境影响有关，如地面臭氧（光化学烟雾）、酸雨、全球变暖和水质恶化等。减少水泥行业的排放将有助于减少与这些排放相关的健康问题，包括视力损害、对心血管和中枢神经系统的不利影响以及呼吸系统问题。
许多低碳混凝土生产商通过用SCM（如粉煤灰、硅粉和粒化高炉矿渣粉等）代替混凝土中的一部分水泥来减少排放。美国东北部地区普遍使用的SCM原材料存在一些相关的健康风险，但在混凝土中使用这些材料可以减轻它们对人类健康与环境可能造成的危害。
例如，大量接触粉煤灰会对人类健康造成危害，因为其中存在酸性、毒性和放射性元素，包括铅、砷、汞、镉和铀。粉煤灰是燃煤发电的副产品，通常在现场储存或在露天垃圾填埋场或湿地中处置。在垃圾填埋场和湿地中处置粉煤灰可能会污染地下水从而损害人类健康与环境。然而，在混凝土中使用粉煤灰，每年可以帮助上述储存地处理数百万吨的粉煤灰。在与水泥混合时，粉煤灰中所含的重金属会通过一种化学固定过程被封存在混凝土中。据美国环境保护署的一项分析显示，含粉煤灰的混凝土对环境的影响与普通混凝土相当，甚至更低。
粒化高炉矿渣粉（Ground granulated blast furnace slag , GGBFS）是炼钢过程的副产品，由钙、硅、铁组成，含有已知对环境及人体健康有害的微量铬。一项针对在GGBFS中发现的铬和其他微量元素的科学调查表明，这些元素与水泥混合时发生的稳定过程可以封存这些污染物。在近期多项对用GGBFS与水泥混合制成的混凝土的浸出试验中，均未检测到铬或其他微量元素。
在美国东北部地区随处可见的玻璃粉是一种粉煤灰和GGBFS的新兴替代品。这种材料使用的是来自消费和工业部门，不能用于其他回收途径的废玻璃，其全球变暖潜势影响约为水泥的一半，且在其原始构成中不含重金属。
总结
尽管混凝土行业面临一系列的挑战，但仍有大量机会运用可推广的成熟技术来减少该行业的碳排放。通过释放对低碳产品需求的信号，政府机构可以帮助加快混凝土行业完成向净零排放未来的转型，同时显著减少建筑建造活动对气候与人类健康的负面影响。
附录
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Allister Melvin，技术服务经理，东北地区骨料行业，私人交流，2022年3月23日。 -
Michał Łach等，《矿物聚合物是一种适合于城市垃圾焚烧厂粉煤灰固定的材料》，《空气与垃圾管理协会杂志》，68, no. 11 (2018): 1190–1197. -
与One Click LCA、Athena可再生材料研究所和Climate Earth代表的私人交流，2022年4月。