基于时空因素耦合的混凝土建筑碳汇计量方法研究

发布时间：2020-09-03 17:46

　　随着碳源碳汇的深入研究,在全球碳循环中还有一大部分的碳汇尚未被人们所发现。已有研究指出“碳失汇”的一部分可以指向混凝土碳化的过程。混凝土在碳化的过程中会吸收空气中的CO2,混凝土碳汇可以作为碳失汇的一部分。然而在我国建筑建设量日益增大的前提下,混凝土建筑的量也在逐步增加。混凝土建筑具有碳汇的能力也应得到重视和认可。因此本文通过混凝土碳化的基本理论,以混凝土建筑为主要研究对象对建筑碳汇的量以及能力和规律进行了深入的探讨分析。本文首先以混凝土碳化的基本理论知识,对混凝土建筑进行了调研取样。从微观角度对混凝土进行实验。通过酚酞试验确定各结构样本混凝土的碳化深度。用热重分析以及扫描电镜能谱分析的实验方法对试样中碳化和未碳化部分进行了碳汇量的测量和计算。最后得到各建筑混凝土构件的碳汇能力并计算建筑结构部分的碳汇量。其次,从中观角度通过混凝土碳化理论的文献数据分析确定了建筑碳汇的影响因素。分别从混凝土材料的影响因素和建筑自身以及环境因素进行探讨。对混凝土的水灰比、水泥品种、水泥用量、混凝土掺合料以及骨料品种进行分析。从建筑自身的混凝土暴露面积、二氧化碳浓度、环境温度以及环境湿度角度进行了深入探讨。再次,以宏观的角度对混凝土建筑碳汇的模型进行了建立和确定。从时间和空间两个变量关系对模型进行了确立。在时间变量中,探讨了温度、湿度以及混凝土抗压强度对二氧化碳扩散系数的确定,并分析了水泥用量和单位体积混凝土固碳量与单位时间吸收二氧化碳的能力。在空间变量中,从建筑的结构形式、围护结构等方面明确了混凝土暴露面积的计量方法,对二氧化碳浓度从建筑的使用功能、区域环境以及地域差异进行了参数确定。最后,通过与实测建筑的碳汇量进行对比分析验证了模型的可靠性。并对模型的自身从不同碳排放策略进行了评价分析,同时与其他模型进行了比较。最后探讨了模型在建筑设计阶段与建筑节能共同作用的应用方向,并提出了在城市规划应用中的基本指导方向。
【学位单位】：沈阳建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2018
【中图分类】：TU528;TU-023
【部分图文】：

二氧化碳排放,情景,碳排放,来源

心、美国劳伦斯伯克利国家实验室和国际能源署等数据的模拟结果可以看出，在不使用碳逡逑捕获、利用与封存（ＣＣＵＳ）相关技术和推出影响经济的强制减排措施下，中国的二氧化逡逑碳排放很难有大幅下降（图１．１）。所以加大碳捕获、利用与封存、控制碳排放、降低能逡逑源消耗成为中国国家发展计划的重中之重。逡逑

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２．２．１碳循环理论逡逑碳循环既是碳在地球系统中通过物理、化学、生物过程及其相互作用的驱动下，以各逡逑种不同形态或形式在每个子系统内部及子系统之间迁移转化的运动过程（图２．１）。地球逡逑系统的碳循环分为三个子系统，即大气系统中的碳循环、海洋系统中的碳循环以及陆地系逡逑统中的碳循环。各个系统中的碳循环研究，自２０世纪７０年代起就有不少科学家对其进行逡逑了深入探讨。研究显示，在万年时间尺度上，地球的三个子系统之间的碳交换量成周期性逡逑规则变化。逡逑—＾—１逡逑逦邋Ｉ逡逑图２．１地球系统中的碳循环过程（图片来源：作者自绘）逡逑Ｆｉｇ．２．１邋Ｔｈｅ邋ｃａｒｂｏｎ邋ｃｙｃｌｅ邋ｉｎ邋ｔｈｅ邋ｅａｒｔｈ邋ｓｙｓｔｅｍ逡逑２．２．１．１大气系统中的碳循环逡逑大气系统中的碳循环发生在大气内部的物理过程和那些与碳有关的大气化学反应程。己有研宄表明，在没有人类干预的前提下，自然大气中的气体化学反应基本处于动态逡逑平衡的状态，其中Ｃ０２主要是碳源和碳汇之间的物理循环。然而，在人类活动的干预下，逡逑大气中的化学反应会因为人类活动对碳气体的浓度变化而形成氧化效率反应，导致大气中逡逑的气体化学不平衡。逡逑２．２．１．２海洋系统中的碳循环逡逑海洋系统中的碳循环包含海洋物理泵和海洋生物泵两个过程。物理泵就是把海气界面逡逑的气体交换和将Ｃ０２从海洋表面向深海输送的物理过程。物理泵吸收Ｃ０２的多少取决于风逡逑速和穿越海气界面的分压差。其工作原理既是海水在各大洋之间相互交汇形成有规律的洋逡逑流，洋流在不同维度地区温度不同使得海水在不同层面流动。在流动过程中海水

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湿度之间的温湿平衡形成稳定的孔隙水膜，环境中的Ｃ０２气体在其内部孔隙的扩散反应中逡逑溶解于孔隙水膜形成碳酸。碳酸与混凝土中固相的Ｃａ（ＯＨ）２、ＣＳＨ以及未水化的硅酸三钙逡逑（Ｃ３Ｓ）硅酸二钙（Ｃ２Ｓ）反应生成稳定的ＣａＣＣｂ及其他物质（图２．２）。逡逑温涅平衡水膜逡逑Ｖ／／／／／／／／／／Ｍ＾Ｚ＾７／逡逑Ｔ－Ｊ１，邋？＇逦＿液娜分逡逑二二邋＇逦，逦Ｃａ＾Ｖ？（逦￣Ｉ逡逑ｃ0，气体扩敢｜￣￣￣＇邋＞逦ｃ0ｍ逦七孔隙部分气相部分逡逑＾＾逦＼逦Ｃａ２？扩eW逡逑一液泪部分逡逑ｖ／／／／／／／／７／／／／／＾／／／／／，邋＼逡逑—逦—逦固相部分逡逑碳化反应区及反应产物逦町碳化物质在液相部分中溶解逡逑图２．２混凝土碳化的物理过程（图片来源：网络）逡逑Ｆｉｇ．２．２邋Ｐｈｙｓｉｃａｌ邋ｐｒｏｃｅｓｓ邋ｏｆ邋ｃｏｎｃｒｅｔｅ邋ｃａｒｂｏｎａｔｉｏｎ逡逑其重要的化学反应方程式如下：逡逑Ｃａ（ＯＨ）２邋＋邋Ｃ０２＾ＣａＣ0３邋＋邋Ｈ２０逡逑ＣａＯ邋２Ｓｉ0２－３Ｈ２０＋３Ｃ0２＾３ＣａＣＯ．ｒ２Ｓｉ0２－３Ｈ２０逡逑３Ｃａ0－２Ｓｉ0２＋３Ｃ0２＋？ｉＨ２0－＞Ｓｉ0２邋ＡＨ２０＋３ＣａＣ０３逡逑

【参考文献】