尹 健，鄒 偉，2，池 漪

(1.中南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410075;2.湖南中大設(shè)計(jì)院，湖南長(zhǎng)沙410075)

混凝土材料自從問(wèn)世以來(lái)，極大地推動(dòng)了社會(huì)文明的進(jìn)步，然而也帶了許多的環(huán)境問(wèn)題，例如:大量資源與能源的消耗以及三廢的大量排放。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)混凝土占用大量自然資源及對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響已開(kāi)展了大量研究，并由此引發(fā)了可持續(xù)發(fā)展的廣泛討論［1－2］。吳中偉于1997年3月在“高強(qiáng)、高性能混凝土?xí)h”上提出了“綠色高性能混凝土”(GHPC)的概念，并提出將其作為今后混凝土的發(fā)展方向。其“綠色”的三大含義為:(1)節(jié)約資源、能源;(2)不破壞環(huán)境，更應(yīng)有利于環(huán)境;(3)可持續(xù)發(fā)展，既可滿足當(dāng)代人的需求，又不危害后代人滿足其需要的能力。而高性能再生混凝土的提出，正是符合這一目標(biāo)的綠色建材，其在改善混凝土材料的性能同時(shí)，著重注意廢棄物的利用以及減少其環(huán)境負(fù)荷影響。

本文運(yùn)用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法［3－4］，按照ISO14040系列標(biāo)準(zhǔn)［5］，對(duì)所配制的HPRAC，RAC及NC進(jìn)行分析計(jì)算，確立一種有效評(píng)價(jià)混凝土材料環(huán)境協(xié)調(diào)性的量化模式，可以為綠色混凝土材料的發(fā)展與應(yīng)用提高必要的理論依據(jù)，同時(shí)為推動(dòng)再生混凝土在大規(guī)模工程應(yīng)用和在商品化再生混凝土水平上實(shí)現(xiàn)根本性的突破提供技術(shù)支持。

1 試驗(yàn)材料與混凝土配制

1.1 試驗(yàn)材料

水泥(C):湖南寧鄉(xiāng)南方水泥有限公司生產(chǎn)的P·O42.5級(jí)水泥，其密度為3.13 g/cm2;水泥膠砂的3，28 d抗折強(qiáng)度分別為5.30，8.20 MPa，3，28 d抗壓強(qiáng)度分別為24.2，45.8 MPa;粉煤灰(FAⅠ):湘潭電廠風(fēng)選Ⅰ級(jí)粉煤灰，密度為2.35 g/cm2，45 μm方孔篩篩余量9%;硅灰(SF):貴州遵義硅鐵合金廠生產(chǎn)的微硅灰，密度為2.11 g/cm2，比表面積為20 000 m2/kg;砂(S):湘江河砂，細(xì)度模數(shù)2.8，符合Ⅱ區(qū)級(jí)配要求;減水劑(SP):東莞市伍山建材實(shí)業(yè)有限公司生產(chǎn)的WSN－30型緩凝高效減水劑;天然骨料(NA):碎石，級(jí)配符合5～26.5 mm的連續(xù)級(jí)配要求，相關(guān)性能見(jiàn)表1;再生骨料(RA):長(zhǎng)益高速公路路面養(yǎng)護(hù)廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石)，先經(jīng)人工破碎成中等尺寸，然后用顎式破碎機(jī)破碎成小顆粒，并過(guò)篩，其級(jí)配符合5～26.5 mm的連續(xù)級(jí)配要求，相關(guān)性能見(jiàn)表1;水(W):自來(lái)水。

1.2 混凝土試驗(yàn)配合比及測(cè)試結(jié)果

優(yōu)選后的天然碎石骨料混凝土(NC)、普通再生混凝土(RAC)以及高性能再生混凝土(HPRAC)的具體配合比參數(shù)及性能見(jiàn)表2。

2 高性能再生混凝土環(huán)境協(xié)調(diào)性評(píng)價(jià)

2.1 確定邊界條件

以HPRAC，RAC以及NC為研究對(duì)象進(jìn)行LCA分析，假定其邊界條件為:(1)3種類(lèi)型混凝土28 d抗壓強(qiáng)度基本一致，即研究對(duì)象均具有相同強(qiáng)度;(2)評(píng)價(jià)功能單位以1 m3混凝土計(jì)量;(3)評(píng)價(jià)周期從水泥生產(chǎn)開(kāi)始至混凝土制成為止，不考慮能源生產(chǎn)環(huán)節(jié)對(duì)環(huán)境的影響;(4)與生產(chǎn)設(shè)備、建筑設(shè)施相關(guān)的環(huán)境污染不予考慮。

2.3 清單分析

2.3.1 水泥生產(chǎn)的環(huán)境負(fù)荷

清單分析(life circle inventory，簡(jiǎn)稱(chēng)LCI)主要在于確定混凝土生產(chǎn)各有關(guān)子系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括該系統(tǒng)中各種物料及能源輸入的量和向環(huán)境中所排放廢棄物的輸出量。本章涉及到的公用系統(tǒng)的環(huán)境數(shù)據(jù)［6］見(jiàn)表3和表4。表中的電力生產(chǎn)的污染物數(shù)據(jù)是根據(jù)我國(guó)的發(fā)電能耗(以標(biāo)準(zhǔn)煤計(jì))/kwh的平均值0.424 kg計(jì)算。另外，CO2的生成量按原煤固定碳含量的50%計(jì)算，原煤按20%計(jì)算。

表1 粗骨料基本性能試驗(yàn)結(jié)果Table 1 Properties of coarse aggregates

表2 混凝土配合比及性能Table 2 Mix proportion and properties of concrete

表3 公用系統(tǒng)環(huán)境數(shù)據(jù)Table 3 Common environmental data system kg

表4 硅酸鹽水泥壽命周期過(guò)程的環(huán)境影響基礎(chǔ)數(shù)據(jù)Table 4 The basic data of portland cement during the life cycle environmental impact kg

通過(guò)表3～4數(shù)據(jù)，可以計(jì)算出制造1 t水泥并考慮運(yùn)輸?shù)交炷僚渲频攸c(diǎn)時(shí)的環(huán)境影響評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù).參照文獻(xiàn)［6］，考慮每1 t水泥的資源消耗為:石灰石1.3 t，黏土0.3 t，石膏50 kg，其他不予考慮，并且不考慮工業(yè)廢渣或工業(yè)廢料的再生利用。其中，原料開(kāi)采的運(yùn)輸距離為5 km，而水泥成品的運(yùn)輸距離為30 km，其計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表5。

2.3.2 混凝土配制過(guò)程的環(huán)境負(fù)荷

混凝土配制過(guò)程中引起環(huán)境負(fù)荷因素包括粗集料、細(xì)集料、拌制過(guò)程以及水泥等材料，水和減水劑在此不予考慮。天然粗骨料、細(xì)骨料統(tǒng)一采用表4中的原料開(kāi)采的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)，即13.89kwh/t［7］，再生粗骨料及混凝土生產(chǎn)分別耗電約13.75和2 kwh/m3。廢棄混凝土處理方式按將廢棄混凝土運(yùn)送至20 km進(jìn)行回填，并以此作為再生粗集料的環(huán)境負(fù)荷的減少量;可利用的再生粗骨料按廢棄混凝土的65%計(jì)算［8］?；诂F(xiàn)有的研究成果［6，9－10］，高性能再生混凝土Ⅰ級(jí)粉煤灰的摻量按20%計(jì)算，粉煤灰的系統(tǒng)特征摻量Cm取為1.07，硅粉的協(xié)同特征摻量可按粉煤灰的1.2倍計(jì)算，即為1.284。從而可以計(jì)算出混凝土配制過(guò)程中各種因素引起的環(huán)境負(fù)荷，其具體結(jié)果如表6所示。

表5 生產(chǎn)1 t水泥所形成的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)Table 5 The environmental load data of production of1 ton of cement kg

表6 混凝土制造過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)Table 6 The environmental impact data ofmanufacturing process of concrete

2.3.3 高性能再生混凝土LCA評(píng)價(jià)分析

根據(jù)表2中3種類(lèi)型混凝土配合比，以及表5生產(chǎn)1 t水泥所得的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)和表6混凝土在制造過(guò)程中的環(huán)境負(fù)荷數(shù)據(jù)可以對(duì)NC，RAC及HPRAC(按1 m3混凝土)進(jìn)行環(huán)境影響清單分析(LCI)，其計(jì)算結(jié)果如表7所示。

2.4 生命周期環(huán)境影響分析與評(píng)價(jià)

2.4.1 分類(lèi)

環(huán)境影響評(píng)價(jià)(impact assessment，簡(jiǎn)稱(chēng)IA)是生命周期評(píng)價(jià)的第3步，它在清單分析的基礎(chǔ)上，把評(píng)價(jià)系統(tǒng)中的各種輸入和輸出參數(shù)轉(zhuǎn)化成定量或半定量的指標(biāo)來(lái)表征系統(tǒng)對(duì)環(huán)境造成的影響。影響評(píng)價(jià)主要針對(duì)生態(tài)平衡、人體健康、環(huán)境安全、資源或能源消耗等對(duì)象進(jìn)行評(píng)價(jià)分析。因此在進(jìn)行環(huán)境影響評(píng)價(jià)之前則應(yīng)該根據(jù)LCI數(shù)據(jù)將上述3種混凝土對(duì)環(huán)境的影響類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)，通常劃分為7類(lèi)，見(jiàn)表8。

2.4.2 特征化

特征化，主要是要開(kāi)發(fā)一種模型，這種模型可以將LCI提供的數(shù)據(jù)和其他輔助數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)變成描述環(huán)境影響的專(zhuān)用指標(biāo)。目前，國(guó)際上使用的特征化模型主要有3種:(1)負(fù)荷模型;(2)當(dāng)量模型;(3)固有化學(xué)特性模型.本文采用當(dāng)量模型，這類(lèi)模型使用當(dāng)量系數(shù)來(lái)匯總LCI所提供的數(shù)據(jù)，例如，0.7kg NOx相當(dāng)于1kg SO2產(chǎn)生的環(huán)境酸化的潛力。當(dāng)量模型的前提是匯總的當(dāng)量系數(shù)可以用來(lái)度量潛在的環(huán)境影響，因此各環(huán)境指標(biāo)都是以參照物的總量表示，可稱(chēng)為環(huán)境污染當(dāng)量數(shù)，常見(jiàn)污染物對(duì)應(yīng)的環(huán)境影響當(dāng)量見(jiàn)表9。

表7 NC，RAC和HPRAC的LCI數(shù)據(jù)總匯Table 7 The LCI data of NC，RAC and HPRAC

表8 混凝土環(huán)境影響分類(lèi)Table 8 Concrete environmental impact categories

并以此作為基礎(chǔ)，根據(jù)表7的LCI數(shù)據(jù)可以計(jì)算各混凝土的相關(guān)環(huán)境影響的當(dāng)量數(shù)。其中，EDP的計(jì)算可以參照表3中的換算關(guān)系，將電耗以及油耗轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的煤耗以后再進(jìn)行當(dāng)量數(shù)的計(jì)算。由于表9中沒(méi)有固體廢物的數(shù)據(jù)，所以對(duì)于表7中的粉塵廢物列中的固體廢棄物考慮為0，其他的則按水泥生產(chǎn)產(chǎn)生的粉塵計(jì)算。

2.4.3 標(biāo)準(zhǔn)化

為實(shí)現(xiàn)最終結(jié)果的單一表示，必須將各環(huán)境指標(biāo)的量綱統(tǒng)一化，此時(shí)可以用某一種產(chǎn)品的環(huán)境污染當(dāng)量數(shù)與整個(gè)研究范圍內(nèi)相應(yīng)環(huán)境污染總當(dāng)量的比值表示［11］，即為該產(chǎn)品的環(huán)境污染相對(duì)指數(shù)，其計(jì)算公式如下:

環(huán)境影響的世界當(dāng)量總數(shù)見(jiàn)表10所示。

因此，結(jié)合上述表7、表9～表10，可以計(jì)算出各組混凝土的相關(guān)環(huán)境影響和當(dāng)量數(shù)，并按式(1)可以計(jì)算出每種混凝土的污染相對(duì)指數(shù)，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表11。

表9 常見(jiàn)污染物對(duì)應(yīng)的環(huán)境影響當(dāng)量數(shù)Table 9 Common environmental pollutants equivalent number of corresponding

表10 環(huán)境影響的世界當(dāng)量總數(shù)Table 10 The total number of equivalent environmental impact of the world

表11 各混凝土相關(guān)環(huán)境影響、當(dāng)量數(shù)及相對(duì)指數(shù)Table 11 Concrete relevant environmental impact indicators

表12 混凝土LCA評(píng)估權(quán)重系數(shù)Table 12 Weight coefficient of LCA on concrete

2.4.4 環(huán)境綜合指數(shù)計(jì)算

在一種材料的生命周期里，它不斷地與環(huán)境發(fā)生交流與聯(lián)系，從而對(duì)周?chē)沫h(huán)境產(chǎn)生各種影響，除了資源、能源的消耗以及三廢的排放以外，還有諸如酸雨氣體效應(yīng)、溫室氣體效應(yīng)、電磁波污染、光污染和有機(jī)揮發(fā)物等影響。然而材料對(duì)環(huán)境的每一種影響因素的計(jì)量單位以及重要程度都不盡相同，故為了實(shí)現(xiàn)量化，使評(píng)價(jià)結(jié)果具有可比性，通常采用根據(jù)材料對(duì)環(huán)境影響的重要程度進(jìn)行有關(guān)的加權(quán)與分級(jí)。根據(jù)材料LCA環(huán)境影響評(píng)估(IA)方法，對(duì)混凝土LCA評(píng)估的環(huán)境綜合指數(shù)E可按下式計(jì)算:

本文混凝土材料對(duì)環(huán)境影響的權(quán)重系數(shù)參考文獻(xiàn)［12］中的數(shù)據(jù)，具體見(jiàn)表12。

按照式(2)以及表11～表12的數(shù)據(jù)可以計(jì)算各組混凝土(1 m3)的環(huán)境綜合指數(shù)，計(jì)算結(jié)果如下:

從表8混凝土的LCI數(shù)據(jù)可以看出，混凝土中使用再生骨料以及活性工業(yè)廢渣可以明顯降低混凝土的環(huán)境負(fù)荷，特別是在能源以及石灰石的消耗方面。RAC的不可再生資源消耗僅為 NC的54.9%，而HPRAC的不可再生資源消耗僅為NC的51.2%。從環(huán)境綜合指數(shù)來(lái)看，其大小依次為: HPRAC＜RAC＜NC。HPRAC的綜合環(huán)境指數(shù)E為10.460×10－12年，其相比RAC降低了11.6%，相比NC降低了36.6%。這說(shuō)明，在28 d齡期抗壓強(qiáng)度基本相同條件下，再生混凝土環(huán)境負(fù)荷減小，并且高性能再生混凝土減少更為明顯。

3 結(jié)論

(1)使用生命周期評(píng)價(jià)(LCA)方法可以很好地對(duì)混凝土的制造過(guò)程中的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià);環(huán)境綜合指標(biāo)E可以作為定量評(píng)價(jià)不同材料對(duì)環(huán)境影響的評(píng)價(jià)指標(biāo).

(2)環(huán)境綜合指數(shù)E的研究結(jié)果表明:研究采用的3種混凝土，其環(huán)境綜合指數(shù)E的影響順序?yàn)?HPRAC＜RAC＜NC。HPRAC的綜合環(huán)境指數(shù)E為 10.460×10－12年，其相比 RAC降低了11.6%，相比NC降低了36.6%。這說(shuō)明，在28 d齡期抗壓強(qiáng)度基本相同條件下，再生混凝土環(huán)境負(fù)荷降低明顯，而高性能再生混凝土則顯著降低了環(huán)境負(fù)荷。

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