日期:[2022年09月14日]
-- 智慧生活报 --
版次:[A5]
从用“好材料”到“用好”材料
本报专访中国工程院院士岳清瑞
开栏语：“我们的很多院士都具有‘先天下之忧而忧，后天下之乐而乐’的深厚情怀，都是‘干惊天动地事，做隐姓埋名人’的民族英雄。”这是习近平总书记在中国科学院第十九次院士大会、中国工程院第十四次院士大会上说过的话。院士是国家的财富、民族的骄傲，是创新精神的实践者和传承者。本报今起推出《院士面对面》专栏，用访谈、自述等多元化形式，记录院士们的创新科学理念与思考，彰显老一辈科学家的爱国奉献与创新求实精神。
习近平总书记向全世界作出“碳达峰”“碳中和”的庄严承诺，为建筑行业发展带来巨大机遇，同时也给材料领域技术革新带来了挑战。2021年9月22日，中共中央、国务院印发《关于完整全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作意见》中明确：“全面推广绿色低碳建材，推动建筑材料循环利用。开展低碳零碳负碳和储能新材料、新技术、新装备攻关。”这为建筑行业的未来，指明了方向。那么，建筑行业到底是怎样减碳的呢？本报记者带着疑问采访了中国工程院院士岳清瑞。
Q
土木工程材料在什么阶段碳排放量最大？
岳清瑞：中国建筑能耗与碳排放数据库显示，2010年至2019年，我国建筑全寿命周期碳排放从32.5亿吨上升至50亿吨。建筑全生命周期包括土木工程材料生产阶段、建筑施工阶段、建筑运行阶段、拆除与处理（废弃、再循环和再利用等）阶段。
中国建筑节能协会《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》中指明：2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.6%。其中：土木工程材料生产阶段碳排放27.7亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为28.0%；建筑施工阶段排放1亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为1.0%；建筑运行阶段排放21.3亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为21.6%。
不难看出，土木工程材料生产阶段碳排放达全部碳排放的四分之一以上。因此我国土木工程材料生产领域碳减排任务繁重、压力巨大。为了实现“双碳”目标，土木工程材料生产必须为“双碳”作出贡献。
Q
减少材料碳排放的路径有什么？
岳清瑞：想要实现土木工程材料碳减排目标，必须推动土木工程材料全寿期低碳转型。
要在设计方面节材，少消耗，使用高性能高效能材料，达到建造建材高效的目标；要采用标准化部品部件，发展装配式建筑，达到施工建材低耗的目标；要选用低碳材料，达到生产建材节能的目标；要使用高耐久材料，达到运维建材长寿的目标；要尽量选用地缘性材料，减少加工环节，实现运输建材短途的目标；要让构件循环利用，实现废物建材再生的目标；要让建材再生过程绿色化，不为再生而再生，实现再生建材节能的目标；要发展相变储能材料，推动材料-结构-功能一体化，实现功能建材产能的目标。
Q
什么是高效能、高性能材料？
岳清瑞：最典型的就是高性能结构钢材。它是采用新的化学元素组成比例和特殊生产工艺冶炼而成的新一代结构工程用钢材，具有更高的强度以及更好的延性、韧性、可焊性、耐久性、抗撕裂性等使用性能。上海世博会澳大利亚馆就采用了一种名为耐候钢的高性能结构钢材。
除此之外，还有纤维增强复合材料，包括碳纤维复合材料CFRP、玻璃纤维复合材料GFRP、芳纶复合材料AFRP、玄武岩纤维复合材料BFRP等。纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和可设计性强等优点。如今，用这种材料做结构加固的技术趋于成熟，且广泛应用。应用这种材料的新建结构也快速发展，复材制品、结构和应用场景不断拓展，前景广阔，有望作为新材料，实现工程结构全寿期高效服役和满足超限度工程结构需求。海南省三亚体育场就采用了碳纤维复材平行板索张拉结构。
Q
就地取材的好处除了减少运输环节产生的碳排放外，还有什么？
岳清瑞：就地取材也是减碳的一个大方向，因为其不仅减少了运输环节产生的碳排放，还能降低建造经济成本，满足大规模、持续性建设需求。
远海及偏远地区的常规土木工程材料匮乏，运输成本也很高。南海岛礁混凝土造价达到了 5000—10000元 /立方米，建房成本可达20000元/平方米，均达到大陆成本的10—15倍。科研人员通过对珊瑚骨料宏微观特性研究，发现海水海砂制成的混凝土，经过关键辅材开发和配合比优化，更适合海洋与岛礁工程。
除此之外，在工程建设中利用当地废渣废料做建筑材料，也能保护生态环境。比如，洞渣混凝土，可用于隧道衬砌用喷射混凝土、隧道二衬混凝土、无砟轨道底座和道床用混凝土、桥梁桩基墩台塔柱用现浇混凝土、堆场建设用高抗渗混凝土等。我国的川藏铁路工程就使用了洞渣混凝土。
Q
我们现在可以使用的循环利用材料有什么？
岳清瑞：发展循环利用材料的目的就是变废为宝，减少大拆大建中产生的碳排放。如纽约高线公园就是废弃的空中铁路变身的城市地标建筑。
利用工业废渣废料制作混凝土。采用性能较好的工业废料，如粉煤灰，可制备性能优越的特种混凝土——让“好的”更好。将活性和利用率低的粒化固体废渣经过一定处理制备普通混凝土，满足建筑基本要求——让“差的”能用。
利用建筑废弃物制作再生建筑材料。比如：将余土用于生产免烧实心砖、空心砌块、路面砖、护坡砌块、海绵城市的蓄水模块。拆出的建筑废弃物，可生产再生骨料、实心砖、透水砖、再生墙板、路基回填、低标号混凝土。将拆出建筑物中挑拣出的钢筋、塑料、型材等进行回收利用。
Q
如今，土木工程材料还遇到什么其他的挑战呢？
岳清瑞：相比其他行业而言，目前对土木工程材料的重视不够，研究人员往往习惯基于现有的材料来研究结构，较少从材料的层面去积极改善和解决问题。
土木工程材料研发体系还不够完整。现在高校土木工程结构材料研究基本以水泥基材料为主；土木工程专业对其他材料如钢材、纤维复材等的针对性研究则较少。土木工程用钢约占粗钢总产量一半，却较少有专门的研发机构和专业人才团队研究，这是未来需要去补足和提升的方向。
材料的不精、不细、不专，导致计算分析上算不准、误差大，造成材料浪费或结构不安全；在结构上设计不精细、制造尺度偏差大、安装不精准，导致建筑业的诸多积弊，建筑工业化进展缓慢。
Q
用新型材料替代土木工程材料是不是就达到减碳目标了？
岳清瑞：并非如此，选用土木工程材料一定要做到从用“好材料”到“用好”材料，要充分关注材料的配套性和系统性问题。这不仅是简单的替代，如FRP就不能简单替代钢材。
要充分关注新材料应用的基本性能研究问题，如可靠度、分项系数、环境系数、长期性能问题，以及连接性、可加工性、可回收性等。
还要正确认识成本问题。碳纤维是追求高性能，再降低成本，以适应土木工程需求，首要的是高性能；玻璃纤维和玄武岩纤维是在低成本的情况下达到一定的高性能，首要的是低成本，完全是两个技术方向。
要充分关注树脂的改性研究以提升对土木工程的适用性。现在应用的树脂是通用、广谱的，没有从建筑材料角度去改性，不能满足一些特殊要求（如耐热、抗火）。我们应该从材料角度研发出更适合土木工程应用的树脂。
要建立和完善多维表征的一致性指标体系。缺少多维表征的一致性技术指标、检测方法与体系，使得重大工程建造过程中难以实现一致性设计与运维。
Q
那么，您认为在建筑方面，怎样做才是最好的减碳呢？
岳清瑞：我认为，长寿命就是最好的减碳。
我国在“十一五”期间，建筑拆除总量高达46亿平方米，合每年4.6亿平方米。“十二五”期间拆除20亿平方米。其中过早拆除的建筑中，非质量因素拆除的占到81%。以常州市为例，2012年—2013年两年内道路共计开挖1641次，平均每天2.25次。
如果，用钢筋混凝土搭建的建筑服役寿命延长1倍，全国碳排放的比重将降低15.9%。
记者 乔静涛/文 杨晓艳/摄
习近平总书记向全世界作出“碳达峰”“碳中和”的庄严承诺，为建筑行业发展带来巨大机遇，同时也给材料领域技术革新带来了挑战。2021年9月22日，中共中央、国务院印发《关于完整全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作意见》中明确：“全面推广绿色低碳建材，推动建筑材料循环利用。开展低碳零碳负碳和储能新材料、新技术、新装备攻关。”这为建筑行业的未来，指明了方向。那么，建筑行业到底是怎样减碳的呢？本报记者带着疑问采访了中国工程院院士岳清瑞。
Q
土木工程材料在什么阶段碳排放量最大？
岳清瑞：中国建筑能耗与碳排放数据库显示，2010年至2019年，我国建筑全寿命周期碳排放从32.5亿吨上升至50亿吨。建筑全生命周期包括土木工程材料生产阶段、建筑施工阶段、建筑运行阶段、拆除与处理（废弃、再循环和再利用等）阶段。
中国建筑节能协会《中国建筑能耗与碳排放研究报告（2021）》中指明：2019年全国建筑全过程碳排放总量为49.97亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为50.6%。其中：土木工程材料生产阶段碳排放27.7亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为28.0%；建筑施工阶段排放1亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为1.0%；建筑运行阶段排放21.3亿吨二氧化碳，占全国碳排放的比重为21.6%。
不难看出，土木工程材料生产阶段碳排放达全部碳排放的四分之一以上。因此我国土木工程材料生产领域碳减排任务繁重、压力巨大。为了实现“双碳”目标，土木工程材料生产必须为“双碳”作出贡献。
Q
减少材料碳排放的路径有什么？
岳清瑞：想要实现土木工程材料碳减排目标，必须推动土木工程材料全寿期低碳转型。
要在设计方面节材，少消耗，使用高性能高效能材料，达到建造建材高效的目标；要采用标准化部品部件，发展装配式建筑，达到施工建材低耗的目标；要选用低碳材料，达到生产建材节能的目标；要使用高耐久材料，达到运维建材长寿的目标；要尽量选用地缘性材料，减少加工环节，实现运输建材短途的目标；要让构件循环利用，实现废物建材再生的目标；要让建材再生过程绿色化，不为再生而再生，实现再生建材节能的目标；要发展相变储能材料，推动材料-结构-功能一体化，实现功能建材产能的目标。
Q
什么是高效能、高性能材料？
岳清瑞：最典型的就是高性能结构钢材。它是采用新的化学元素组成比例和特殊生产工艺冶炼而成的新一代结构工程用钢材，具有更高的强度以及更好的延性、韧性、可焊性、耐久性、抗撕裂性等使用性能。上海世博会澳大利亚馆就采用了一种名为耐候钢的高性能结构钢材。
除此之外，还有纤维增强复合材料，包括碳纤维复合材料CFRP、玻璃纤维复合材料GFRP、芳纶复合材料AFRP、玄武岩纤维复合材料BFRP等。纤维增强复合材料具有轻质、高强、耐腐蚀、抗疲劳和可设计性强等优点。如今，用这种材料做结构加固的技术趋于成熟，且广泛应用。应用这种材料的新建结构也快速发展，复材制品、结构和应用场景不断拓展，前景广阔，有望作为新材料，实现工程结构全寿期高效服役和满足超限度工程结构需求。海南省三亚体育场就采用了碳纤维复材平行板索张拉结构。
Q
就地取材的好处除了减少运输环节产生的碳排放外，还有什么？
岳清瑞：就地取材也是减碳的一个大方向，因为其不仅减少了运输环节产生的碳排放，还能降低建造经济成本，满足大规模、持续性建设需求。
远海及偏远地区的常规土木工程材料匮乏，运输成本也很高。南海岛礁混凝土造价达到了 5000—10000元 /立方米，建房成本可达20000元/平方米，均达到大陆成本的10—15倍。科研人员通过对珊瑚骨料宏微观特性研究，发现海水海砂制成的混凝土，经过关键辅材开发和配合比优化，更适合海洋与岛礁工程。
除此之外，在工程建设中利用当地废渣废料做建筑材料，也能保护生态环境。比如，洞渣混凝土，可用于隧道衬砌用喷射混凝土、隧道二衬混凝土、无砟轨道底座和道床用混凝土、桥梁桩基墩台塔柱用现浇混凝土、堆场建设用高抗渗混凝土等。我国的川藏铁路工程就使用了洞渣混凝土。
Q
我们现在可以使用的循环利用材料有什么？
岳清瑞：发展循环利用材料的目的就是变废为宝，减少大拆大建中产生的碳排放。如纽约高线公园就是废弃的空中铁路变身的城市地标建筑。
利用工业废渣废料制作混凝土。采用性能较好的工业废料，如粉煤灰，可制备性能优越的特种混凝土——让“好的”更好。将活性和利用率低的粒化固体废渣经过一定处理制备普通混凝土，满足建筑基本要求——让“差的”能用。
利用建筑废弃物制作再生建筑材料。比如：将余土用于生产免烧实心砖、空心砌块、路面砖、护坡砌块、海绵城市的蓄水模块。拆出的建筑废弃物，可生产再生骨料、实心砖、透水砖、再生墙板、路基回填、低标号混凝土。将拆出建筑物中挑拣出的钢筋、塑料、型材等进行回收利用。
Q
如今，土木工程材料还遇到什么其他的挑战呢？
岳清瑞：相比其他行业而言，目前对土木工程材料的重视不够，研究人员往往习惯基于现有的材料来研究结构，较少从材料的层面去积极改善和解决问题。
土木工程材料研发体系还不够完整。现在高校土木工程结构材料研究基本以水泥基材料为主；土木工程专业对其他材料如钢材、纤维复材等的针对性研究则较少。土木工程用钢约占粗钢总产量一半，却较少有专门的研发机构和专业人才团队研究，这是未来需要去补足和提升的方向。
材料的不精、不细、不专，导致计算分析上算不准、误差大，造成材料浪费或结构不安全；在结构上设计不精细、制造尺度偏差大、安装不精准，导致建筑业的诸多积弊，建筑工业化进展缓慢。
Q
用新型材料替代土木工程材料是不是就达到减碳目标了？
岳清瑞：并非如此，选用土木工程材料一定要做到从用“好材料”到“用好”材料，要充分关注材料的配套性和系统性问题。这不仅是简单的替代，如FRP就不能简单替代钢材。
要充分关注新材料应用的基本性能研究问题，如可靠度、分项系数、环境系数、长期性能问题，以及连接性、可加工性、可回收性等。
还要正确认识成本问题。碳纤维是追求高性能，再降低成本，以适应土木工程需求，首要的是高性能；玻璃纤维和玄武岩纤维是在低成本的情况下达到一定的高性能，首要的是低成本，完全是两个技术方向。
要充分关注树脂的改性研究以提升对土木工程的适用性。现在应用的树脂是通用、广谱的，没有从建筑材料角度去改性，不能满足一些特殊要求（如耐热、抗火）。我们应该从材料角度研发出更适合土木工程应用的树脂。
要建立和完善多维表征的一致性指标体系。缺少多维表征的一致性技术指标、检测方法与体系，使得重大工程建造过程中难以实现一致性设计与运维。
Q
那么，您认为在建筑方面，怎样做才是最好的减碳呢？
岳清瑞：我认为，长寿命就是最好的减碳。
我国在“十一五”期间，建筑拆除总量高达46亿平方米，合每年4.6亿平方米。“十二五”期间拆除20亿平方米。其中过早拆除的建筑中，非质量因素拆除的占到81%。以常州市为例，2012年—2013年两年内道路共计开挖1641次，平均每天2.25次。
如果，用钢筋混凝土搭建的建筑服役寿命延长1倍，全国碳排放的比重将降低15.9%。
记者 乔静涛/文 杨晓艳/摄
