肖建莊，鄧 琪，夏 冰

(1. 同濟(jì)大學(xué)土木工程學(xué)院，上海 200092； 2. 同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200092)

0引 言

中國(guó)于2020年提出“二氧化碳排放力爭(zhēng)于2030年前達(dá)到峰值，努力爭(zhēng)取2060年前實(shí)現(xiàn)碳中和”的目標(biāo)[1]。碳中和即碳排放總量要等于或小于碳匯所吸附的總量，實(shí)現(xiàn)二氧化碳(CO2)凈零排放[2]。2019年中國(guó)建筑全過(guò)程碳排放總量約49.97億t，占全國(guó)總碳排放的50.6%，其中材料生產(chǎn)階段碳排放占建筑總碳排放的55.4%[3]。聯(lián)合國(guó)環(huán)境規(guī)劃署指出，實(shí)現(xiàn)材料碳減排是減少建筑生命周期碳排放的重要途徑[4]。2020年中國(guó)商品混凝土產(chǎn)量約為28.99億m3[5]，是建筑行業(yè)用量最多的材料之一。在混凝土中加入再生材料，采用工業(yè)固廢降低水泥熟料含量，用低碳膠凝材料替代硅酸鹽水泥等，是混凝土材料減碳的重要手段。

本文將以不同膠凝材料與再生骨料為例，量化分析低碳混凝土材料應(yīng)用的碳減排效益；剖析低碳材料對(duì)混凝土碳排放與強(qiáng)度聯(lián)合影響規(guī)律，提供基于強(qiáng)度-碳排放聯(lián)合設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化思路；梳理基于力學(xué)性能與環(huán)境效益的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)配合比多目標(biāo)設(shè)計(jì)。本文所述碳排放為刻畫(huà)溫室氣體排放量的全球增溫潛勢(shì)(GWP)，以二氧化碳當(dāng)量(CO2-eq)表示。

1混凝土原材料的碳減排潛力

1.1膠凝材料

水泥生產(chǎn)的碳排放占據(jù)了混凝土生產(chǎn)碳排放的90%～95%[6]，2019年中國(guó)竣工建筑水泥消耗量為24.3×108t，碳排放量達(dá)4.8×108t[7]。水泥生產(chǎn)引起高碳排放的原因?yàn)椋孩偈沂褵?，?dǎo)致CO2的形成與釋放；②制造過(guò)程的高耗能，包括在高于1 400 ℃溫度下加熱生料。國(guó)際能源署(IEA)提出水泥行業(yè)減少二氧化碳的4類改進(jìn)方向?yàn)樘岣吣茉葱?、清潔燃料替代、熟料替代以及碳捕捉和?chǔ)存[8]。熟料生產(chǎn)過(guò)程中石灰石煅燒直接生成的二氧化碳占水泥生產(chǎn)排放的50%～60%[6]，進(jìn)一步考慮高溫所需的燃料與能源消耗，則熟料生產(chǎn)過(guò)程碳排放占總生產(chǎn)的85%[9]。因而目前采用復(fù)合水泥、地聚合物等減少水泥熟料用量的方式是水泥行業(yè)實(shí)現(xiàn)碳減排的主要路徑之一[10-11]。

1.1.1 復(fù)合水泥

復(fù)合水泥采用輔助膠凝材料部分替代硅酸鹽水泥，可使水泥生產(chǎn)碳排放降低30%～50%[12]。當(dāng)前應(yīng)用的輔助膠凝材料主要為粉煤灰、高爐礦渣、石灰石、偏高嶺土、天然火山灰等可溶性硅質(zhì)、鋁硅質(zhì)或鈣鋁硅質(zhì)粉末[13]。其中粉煤灰、高爐礦渣等為最常見(jiàn)的輔助膠凝材料，且作為工業(yè)固廢碳排放量低。隨輔助膠凝材料增加，水泥CO2排放減少[14]。在25、40 MPa的混凝土設(shè)計(jì)中，粉煤灰(FA)取代25%水泥能實(shí)現(xiàn)13%～15%的碳減排，而?；郀t礦渣(GGBS)取代率為40%時(shí)能減少碳排放達(dá)22%[15]。高爐礦渣收集加工過(guò)程需要淬冷粉磨等更復(fù)雜的處理階段，相對(duì)粉煤灰僅從煙道收集分離過(guò)程能耗更多，因而其碳排放因子更高。然而，粉煤灰需要較多的水泥觸發(fā)火山灰反應(yīng)；礦渣與普通硅酸鹽水泥化學(xué)成分類似，高取代率對(duì)混凝土強(qiáng)度影響較小。在滿足強(qiáng)度要求下，復(fù)合水泥中高爐礦渣取代率能達(dá)50%[16]，在碾壓混凝土中，為推遲凝結(jié)時(shí)間，粉煤灰取代率可達(dá)85%[17]。復(fù)合水泥基于碳排放指標(biāo)的設(shè)計(jì)中，輔助膠凝材料的取代率為關(guān)鍵參數(shù)，但同時(shí)應(yīng)考慮其應(yīng)用性能需求選取適宜輔助膠凝材料類別及摻量。

1.1.2 地聚合物

地聚合物是一類通過(guò)鋁硅酸鹽材料(例如粉煤灰、?；郀t礦渣、黏土、火山巖)和堿激發(fā)劑之間反應(yīng)生成3D聚合物鏈而形成的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的堿激發(fā)硅鋁膠凝材料[18-19]。地聚合物具有硬化速度快、強(qiáng)度高、界面結(jié)合能力強(qiáng)、良好的耐腐蝕性和耐久性、良好的熱穩(wěn)定性和耐高溫性等[20]。地聚合物提供了使用100%工業(yè)固體廢棄物等制備低碳膠凝材料的可能。

地聚合物相對(duì)水泥可減少44%～64%的碳排 放[21]，應(yīng)用于混凝土制備時(shí)相對(duì)普通混凝土(OPC)可實(shí)現(xiàn)26%～68%的碳減排(表1)。地聚合物碳排放差異顯著主要可歸因于：①工業(yè)固體廢物類型不同；②工業(yè)固體廢物環(huán)境影響分配方式的差異；③熱養(yǎng)護(hù)方式(包括蒸氣、常溫環(huán)境、烘箱等[22])差異；④原材料運(yùn)輸距離的地區(qū)差異。此外，堿激發(fā)劑是地聚合物中主要碳排放源，占總排放的20%～65%[11,23-24]，其生產(chǎn)本質(zhì)為能源密集型，且生產(chǎn)堿激發(fā)劑本身的化學(xué)反應(yīng)也將導(dǎo)致CO2排放。降低堿激發(fā)劑生產(chǎn)過(guò)程的碳排放，如采用可持續(xù)能源供應(yīng)[25]、水熱或由海鹽生產(chǎn)[26]等，或選擇低碳類型的堿激發(fā)劑及降低用量，是地聚合物重要的碳減排路徑之一。

表1不同類型地聚合物混凝土“從搖籃到大門(mén)”的碳減排效益Table 1Carbon Reduction Benefits of Different Geopolymer Concrete “from Cradle to Gate”

1.2骨 料

目前，部分地區(qū)優(yōu)質(zhì)天然骨料趨于枯竭，需從外地長(zhǎng)途運(yùn)輸，顯著增加了建筑運(yùn)輸?shù)奶寂欧?。同時(shí)隨經(jīng)濟(jì)發(fā)展，建筑大拆大建，2020年中國(guó)建筑垃圾排量約為30×108t[28]，對(duì)其采取傳統(tǒng)的垃圾填埋處理能耗大，而將建筑固廢回收制備再生骨料將可能帶來(lái)可觀的環(huán)境效益。

再生骨料生產(chǎn)加工階段其環(huán)境影響具有站點(diǎn)差異性[29]。再生骨料生產(chǎn)加工碳排放與工藝流程相關(guān)，例如固定式生產(chǎn)線相對(duì)移動(dòng)式更復(fù)雜，但生產(chǎn)效率更高。在不同工藝流程下，再生骨料生產(chǎn)能耗差異顯著[30-31]，一級(jí)或二級(jí)破碎、微波改性、機(jī)械改性下再生骨料生產(chǎn)碳排放范圍為3.2～83 kg CO2-eq·t-1[32]?；谀壳爸袊?guó)市場(chǎng)再生骨料生產(chǎn)加工調(diào)研，一般為一級(jí)或二級(jí)破碎，再生骨料生產(chǎn)碳排放因子服從對(duì)數(shù)正態(tài)分布，均值為2.35 kg CO2-eq·t-1，與天然骨料碳排放接近。

廢棄混凝土回收制備再生骨料相對(duì)填埋處置環(huán)境效益更顯著。基于葡萄牙大型建筑拆除廢棄回收企業(yè)調(diào)研表明，材料回收避免的碳排放高于再生材料生產(chǎn)碳排放的3倍～16倍，其敏感性來(lái)源于工廠設(shè)備、運(yùn)輸、建筑拆除廢物質(zhì)量等[33-34]。從生產(chǎn)到大門(mén)階段，在相同運(yùn)距內(nèi)，再生骨料碳減排效益主要來(lái)源為避免廢棄混凝土填埋與其中回收鋼筋木材等的效益[35]?；谥袊?guó)垃圾填埋現(xiàn)狀調(diào)研，再生骨料生產(chǎn)可避免廢棄混凝土填埋的碳減排效益為3.14 kg CO2-eq·t-1[36]。

再生骨料的運(yùn)輸距離與方式是決定再生混凝土(RAC)“從搖籃到大門(mén)”階段碳減排大小的關(guān)鍵因素[37-38]?？紤]到再生骨料長(zhǎng)距離運(yùn)輸，運(yùn)輸階段的碳排放可高達(dá)生產(chǎn)階段的8倍[16]，資源化廠通常位于城市附近或在城市地區(qū)[39]，再生骨料運(yùn)輸對(duì)環(huán)境影響能得到有效控制，而一些城市天然骨料需要跨省市運(yùn)輸，采用再生骨料，碳減排優(yōu)勢(shì)更顯著。例如，香港再生骨料“從搖籃到大門(mén)”階段，相對(duì)天然骨料可減少65%的溫室氣體，其中再生骨料運(yùn)輸能耗約為天然骨料的34%[40]；上海地區(qū)將再生混凝土應(yīng)用于高層建筑相對(duì)普通混凝土能減少碳排放7.9%[41]。

現(xiàn)有再生混凝土環(huán)境影響評(píng)價(jià)中較少考慮回收階段的碳吸收效益。再生混凝土回收階段，因廢棄混凝土破碎比表面積增大，使再生骨料生產(chǎn)與貯存階段碳吸收可達(dá)11～13 kg CO2-eq·t-1[42-44]。

基于上述分析，再生骨料在避免廢棄混凝土填埋、運(yùn)輸距離與方式、回收階段碳吸收等方面具有碳減排潛力。在再生骨料應(yīng)用中，應(yīng)計(jì)算確定再生混凝土與普通混凝土環(huán)境影響一致的臨界距離，實(shí)現(xiàn)最佳場(chǎng)景應(yīng)用。可進(jìn)一步采用地理信息系統(tǒng)技術(shù)評(píng)估廢物收集指標(biāo)，優(yōu)化運(yùn)輸路線[45]以及確定資源化廠位置，將地理信息系統(tǒng)與環(huán)境影響評(píng)價(jià)結(jié)合，使再生骨料實(shí)現(xiàn)更大碳減排效益。

1.3材料碳排放量化分配方式

工業(yè)固廢回收與再生骨料的生產(chǎn)過(guò)程均為再利用過(guò)程，涉及廢物管理與材料生產(chǎn)，需以合適的方式分配每種產(chǎn)品的環(huán)境影響[46]。不同分配方式計(jì)算的回收材料碳排放因子差異顯著，使材料的碳減排量化結(jié)果可比性差，導(dǎo)致基于碳排放設(shè)計(jì)結(jié)果差異顯著。目前在生命周期評(píng)估(LCA)分配中主要涉及系統(tǒng)擴(kuò)展、截?cái)唷⒎謪^(qū)、物理關(guān)系(質(zhì)量)分配、經(jīng)濟(jì)分配等6種分配方式[47-48]。

1.3.1 工業(yè)固體廢物碳排放分配

目前對(duì)粉煤灰、高爐礦渣等工業(yè)固廢，主要采用截?cái)喾峙浞绞剑馕吨嫌苇h(huán)境影響不分配給工業(yè)固廢，如忽略粉煤灰生產(chǎn)階段環(huán)境影響[49]。采用系統(tǒng)拓展方法，考慮避免填埋的碳排放后，工業(yè)固廢的碳排放因子更低，粉煤灰甚至為負(fù)碳材料[50]。

Chen等[51]依據(jù)歐盟[52]對(duì)副產(chǎn)品的評(píng)定，認(rèn)為粉煤灰、高爐礦渣等作為副產(chǎn)品，應(yīng)基于過(guò)程考慮分配程序，采用初級(jí)與次級(jí)過(guò)程的概念來(lái)精細(xì)地確定分配程序，包括截?cái)喾峙?、質(zhì)量分配以及經(jīng)濟(jì)分配3種。其中往往質(zhì)量分配系數(shù)最大，粉煤灰質(zhì)量分配系數(shù)達(dá)9.3%[53]，而經(jīng)濟(jì)分配系數(shù)為3%～4%[53-54]。

Fan等[55]研究表明，相對(duì)截?cái)喾峙淝闆r，在最佳取代率下，采用質(zhì)量分配的粉煤灰水泥、?；郀t礦渣水泥的碳排放量分別增加了6%～7%、8%～12%。Shobeiri等[24]基于研究發(fā)現(xiàn)：截?cái)喾峙湎碌鼐酆衔锘炷撂寂欧抛畹?，為普通混凝土?2%；基于澳大利亞工業(yè)生產(chǎn)中固廢質(zhì)量比例，采用質(zhì)量分配時(shí)，地聚合物混凝土碳排放將可能為普通混凝土的260%；經(jīng)濟(jì)分配下，地聚合物混凝土與普通混凝土具有相似的碳排放量。

1.3.2 再生骨料碳排放分配

目前關(guān)于再生骨料環(huán)境影響的分配方法也未達(dá)成共識(shí)。在混凝土開(kāi)環(huán)生命周期下，由于難以用單一參數(shù)表征材料的物理性能變化，因此物理關(guān)系的分配(包括質(zhì)量分配)難以確定。經(jīng)濟(jì)分配考慮了天然骨料和再生骨料之間的質(zhì)量和市場(chǎng)價(jià)格差異[47]，但不同地區(qū)不同時(shí)間市場(chǎng)波動(dòng)將導(dǎo)致計(jì)算的碳排放因子不穩(wěn)定[56]。采取截?cái)喾峙浞?，廢棄物填埋階段的全部環(huán)境影響將計(jì)入下個(gè)系統(tǒng)，將可能過(guò)高評(píng)估再生骨料生產(chǎn)的碳排放因子。上述分配方法均低估了再生骨料實(shí)際碳減排效益。

Knoeri等[57]基于系統(tǒng)邊界拓展，將回收再生產(chǎn)品替代原材料的系統(tǒng)集成到整體系統(tǒng)中，則應(yīng)考慮避免的環(huán)境影響，即將避免廢棄混凝土填埋、長(zhǎng)距離運(yùn)輸?shù)冗^(guò)程的環(huán)境影響，且考慮回收廢鋼筋的環(huán)境效益，再生骨料混凝土環(huán)境影響將降至傳統(tǒng)混凝土的70%～88%[38,57]。Ding等[58]提出將再生混凝土系統(tǒng)邊界拓展為從搖籃到搖籃的閉環(huán)系統(tǒng)，并計(jì)算避免的環(huán)境影響。Xia等[59]進(jìn)一步提出以廢棄混凝土為搖籃的閉環(huán)分析。城市廢棄物可轉(zhuǎn)化為足夠的二次資源用于原材料生產(chǎn)，能保證再生骨料建立閉環(huán)生命周期評(píng)價(jià)[59]，且再生骨料可實(shí)現(xiàn)多次回收利用[60]，因此采用從搖籃到搖籃的系統(tǒng)邊界拓展具有可行性。隨再生細(xì)骨料與再生粉被大量應(yīng)用，在廢棄混凝土回收再生時(shí)，待細(xì)化再生粗骨料、再生細(xì)骨料、再生粉以及回收廢金屬等之間存在環(huán)境影響的分配。

工業(yè)固廢、再生骨料的分配方法將影響該材料應(yīng)用于混凝土中的碳減排效益，工業(yè)固廢再利用待建立統(tǒng)一的碳分配方法，再生骨料建議采用閉環(huán)分析實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)邊界拓展，避免碳排放分配。統(tǒng)一工業(yè)固廢與再生材料的碳排放分配方法可以為基于碳排放的統(tǒng)一設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

2基于強(qiáng)度的混凝土碳減排單參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)

材料用量是環(huán)境影響評(píng)價(jià)的重要輸入數(shù)據(jù)，而材料的力學(xué)性能直接影響結(jié)構(gòu)構(gòu)件所需的材料用量與更新維護(hù)需求。在功能單位由體積變?yōu)轶w積與抗壓強(qiáng)度后，摻有輔助膠凝材料的混凝土、再生混凝土的環(huán)境影響分別變化1.7%～20%[61]、10%～16%[62]。相同結(jié)構(gòu)要求下，混凝土強(qiáng)度降低后用量增加，將可能導(dǎo)致結(jié)構(gòu)整體碳排放增加，因此混凝土強(qiáng)度也為碳排放影響因素之一。Habert等[63]指出混凝土強(qiáng)度從C60提高至C80，橋梁生產(chǎn)階段的碳排放可減少50%。復(fù)合水泥、地聚合物、再生骨料等低碳材料具有降低單位體積混凝土碳排放的潛力，但可能導(dǎo)致混凝土強(qiáng)度降低，因而有必要基于混凝土抗壓強(qiáng)度-碳排放雙指標(biāo)聯(lián)合設(shè)計(jì)，揭示低碳材料摻量對(duì)強(qiáng)度與碳排放的綜合規(guī)律，實(shí)現(xiàn)混凝土的碳減排設(shè)計(jì)。

2.1再生骨料對(duì)混凝土強(qiáng)度-碳排放的聯(lián)合影響規(guī)律

在實(shí)際應(yīng)用中，與普通混凝土等強(qiáng)時(shí)，再生混凝土水泥用量略多[64-65]。因此本文統(tǒng)一混凝土原材料的碳排放因子(表2)，考慮再生骨料生產(chǎn)避免廢棄混凝土填埋的環(huán)境效益以及破碎與貯存階段的碳吸收，建立簡(jiǎn)化物理模型，探究再生混凝土原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放與強(qiáng)度的關(guān)系。

表2混凝土原材料碳排放因子Table 2Carbon Emission Factors of Concrete Raw Materials

依據(jù)鮑羅米公式的一般形式，采用水灰比預(yù)測(cè)混凝土強(qiáng)度f(wàn)cu,0，如式(1)所示[67]。

(1)

采用體積法計(jì)算混凝土配合比，進(jìn)一步計(jì)算混凝土碳排放量CCO2，如式(2)、(3)、(4)所示。

(2)

(3)

(4)

式中：kc、kg、ks分別為水泥、粗骨料、砂的碳排放因子；w、fce、β分別為用水量、膠凝材料強(qiáng)度、砂率；ρw、ρc、ρg、ρs分別為水、水泥、粗骨料與砂的密度；A、B為系數(shù)；c為水泥用量。

當(dāng)確定用水量w、膠凝材料強(qiáng)度f(wàn)ce、砂率β、骨料品質(zhì)一致時(shí)，碳排放與強(qiáng)度的關(guān)系可以簡(jiǎn)化為式(5)，k1、k2、k3、k4為常量?？紤]鮑羅米公式同樣適用于再生混凝土，僅系數(shù)A、B不同[68]，因此再生混凝土與普通混凝土強(qiáng)度均與碳排放成正比，再生混凝土碳排放計(jì)算將kRgα+kg(1-α)替代kg代入式(5)即可，其中α為再生粗骨料取代率，kRg為再生骨料碳排放因子。

CCO2=[k1kc-k2(kg+ksX)]fcu,0+k3kc+

k4(kg+ksX)

(5)

圖1混凝土碳排放量隨混凝土強(qiáng)度和再生骨料取代率的變化規(guī)律Fig.1Variation Law of Carbon Emission with Concrete Strength and Recycled Coarse Aggregate Replacement Ratio

對(duì)Kou等[69-70]、Limbachiya等[71-72]、Wardeh等[73]研究中相同用水量的29組配合比試件進(jìn)行分析可知，不同再生粗骨料取代率下碳排放與強(qiáng)度均近似為線性關(guān)系(圖1)，且與預(yù)測(cè)的碳排放相對(duì)誤差在9%以內(nèi)。在再生骨料預(yù)濕水飽和且配合比、用水量相同情況下，再生混凝土取代率提高，可能需要更多水泥補(bǔ)償再生粗骨料導(dǎo)致的強(qiáng)度損失，若僅考慮原材料生產(chǎn)階段，則可能造成碳排放增加；進(jìn)一步補(bǔ)充考慮原材料運(yùn)輸后，當(dāng)目標(biāo)強(qiáng)度低于35 MPa時(shí)，再生混凝土碳排放低于普通混凝土，其中再生混凝土與普通混凝土碳排放相等的臨界強(qiáng)度與再生粗骨料品質(zhì)相關(guān)。圖2為再生粗骨料取代率與再生混凝土強(qiáng)度對(duì)其生產(chǎn)運(yùn)輸碳排放量的影響。由圖2可知，在低目標(biāo)強(qiáng)度下，再生混凝土碳排放隨再生粗骨料取代率增加而降低?；炷翉?qiáng)度為20、25、30 MPa時(shí)，再生粗骨料100%替代能實(shí)現(xiàn)混凝土碳排放最低，碳排放分別減少6%、4%和2%。

圖2再生粗骨料取代率與混凝土強(qiáng)度對(duì)其生產(chǎn)運(yùn)輸碳排放量的影響Fig.2Effects of Recycled Coarse Aggregate Replacement Ratio and Concrete Strength on Carbon Emission in Production and Transportation Stage

2.2復(fù)合水泥對(duì)混凝土強(qiáng)度-碳排放的聯(lián)合影響規(guī)律

隨輔助膠凝材料摻入，單位體積碳排放減少，但混凝土強(qiáng)度可能降低[74]。Park等[75]研究表明，在滿足目標(biāo)混凝土強(qiáng)度下，輔助膠凝材料摻入仍能實(shí)現(xiàn)碳排放降低。輔助膠凝材料摻量超過(guò)30%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的混凝土碳排放量，相對(duì)其摻量小于10%的混凝土，碳排放降低13%～17%，且強(qiáng)度越高，碳排放降低越顯著，見(jiàn)圖3。

圖3混凝土強(qiáng)度與輔助膠凝材料摻量對(duì)混凝土碳排放量的影響Fig.3Effects of Concrete Strength and Additive Amount of Supplement Cementations Material on Carbon Emission of Concrete

Fan等[55]依據(jù)Abram公式建立了混凝土強(qiáng)度與水灰比關(guān)系式，將混凝土碳排放量簡(jiǎn)化為膠凝材料碳排放量的線性函數(shù)，建立混凝土碳排放量與混凝土強(qiáng)度f(wàn)c、輔助膠凝材料取代率s的關(guān)系式，如式(6)所示。

(6)

式中：kA、kC分別為水泥、輔助膠凝材料的碳排放因子；kB、kD為與混凝土生產(chǎn)相關(guān)的剩余碳排放常量。

圖4混凝土碳排放量隨輔助膠凝材料摻量與混凝土強(qiáng)度的變化規(guī)律Fig.4Variation Law of Carbon Emission with Additive Amount of Supplement Cementitious Materials and Concrete Strength

粉煤灰與粒化高爐礦渣采用截?cái)喾峙溆?jì)算碳排放因子?；炷撂寂欧烹S輔助膠凝材料摻量及抗壓強(qiáng)度的變化規(guī)律如圖4所示。由圖4可知，在指定混凝土強(qiáng)度下，最佳粉煤灰取代率(實(shí)現(xiàn)碳排放最低)為30%左右，碳排放降低16%～20%。高爐礦渣最佳取代率為49%～55%，碳排放降低25%～35%，隨目標(biāo)強(qiáng)度提高，其最佳取代率稍增加。在Oner等[76-77]研究中，采用外摻法計(jì)算粉煤灰與高爐礦渣的強(qiáng)度效率因子，當(dāng)粉煤灰+普通硅酸鹽水泥、高爐礦渣+普通硅酸鹽水泥的強(qiáng)度效率因子分別超過(guò)0.40、1.3時(shí)(相當(dāng)于粉煤灰、高爐礦渣取代率分別為30%、56%)，繼續(xù)增加輔助膠凝材料，水灰比降低，但強(qiáng)度也降低。因此，在目標(biāo)強(qiáng)度下，輔助膠凝材料摻量越高，碳排放可能先降低后增加。粉煤灰、高爐礦渣最佳取代率分別約為30%、50%，且高爐礦渣摻入碳減排潛力更大。

2.3地聚合物對(duì)混凝土強(qiáng)度-碳排放的聯(lián)合影響規(guī)律

基于180組不同類型地聚合物混凝土配合比，統(tǒng)一碳排放因子見(jiàn)表3，計(jì)算地聚合物混凝土生產(chǎn)與運(yùn)輸階段碳排放與強(qiáng)度的關(guān)系，見(jiàn)圖5。圖5中，粉煤灰與?；郀t礦渣忽略分配，地聚合物混凝土養(yǎng)護(hù)均為常溫養(yǎng)護(hù)?？芍胀ɑ炷撂寂欧排c強(qiáng)度呈線性關(guān)系，而地聚合物混凝土碳排放量與強(qiáng)度無(wú)關(guān)，強(qiáng)度為20～70 MPa時(shí)，碳排放量在100～175 kg CO2-eq·m-3之間。因此基于碳排放與強(qiáng)度的聯(lián)合設(shè)計(jì)，在設(shè)定目標(biāo)強(qiáng)度下，無(wú)高溫養(yǎng)護(hù)時(shí)，應(yīng)用地聚合物將可能實(shí)現(xiàn)30%～50%的碳減排效益，且隨強(qiáng)度提高效益越顯著。

復(fù)合水泥、地聚合物與再生骨料低碳材料組合對(duì)碳排放與強(qiáng)度的聯(lián)合影響還有待研究，其中高爐礦渣摻量與再生骨料取代率對(duì)再生混凝土強(qiáng)度影響?yīng)毩79]，因此可分別考慮兩種材料的最佳取代率，而粉煤灰的摻量與再生骨料取代率對(duì)混凝土強(qiáng)度具 有耦合影響[80]，地聚合物摻入再生混凝土的研究較少，低碳材料組合的力學(xué)協(xié)同作用與碳減排效益還有待系統(tǒng)探究。

表3地聚合物混凝土典型材料的碳排放因子Table 3Carbon Emission Factors of Typical Geopolymer Concrete Materials

圖5不同類型地聚合物混凝土碳排放量隨混凝土強(qiáng)度變化規(guī)率Fig.5Variation Law of Carbon Emission of Different Geopolymer Concretes with Concrete Strength

3基于強(qiáng)度的混凝土碳減排配合比設(shè)計(jì)算法

上述分析明晰了在碳減排目標(biāo)下，相同強(qiáng)度時(shí)混凝土中低碳材料(包括復(fù)合水泥、地聚合物與再生骨料)的最佳摻量。為實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)下混凝土材料全參量的搜索與優(yōu)化，可進(jìn)一步采用優(yōu)化算法進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)?；炷僚浜媳仍O(shè)計(jì)優(yōu)化算法分為目標(biāo)建模與算法優(yōu)化兩個(gè)階段：目標(biāo)建模即建立決策變量 與目標(biāo)的函數(shù)，函數(shù)模型有線性組合、生命周期評(píng)估、統(tǒng)計(jì)與機(jī)器學(xué)習(xí)等模型；優(yōu)化算法類型有線性程序、非線性程序與元啟發(fā)式優(yōu)化[81-84]等。例如元啟發(fā)式優(yōu)化中的遺傳算子，其可以減少搜索過(guò)程中對(duì)人機(jī)交互的依賴，適用于解決混凝土配合比設(shè)計(jì)等多準(zhǔn)則問(wèn)題[74,85]

碳排放計(jì)算主要考慮各組分質(zhì)量與碳排放因子質(zhì)量之和的線性組合模型；抗壓強(qiáng)度預(yù)測(cè)適用于統(tǒng)計(jì)模型、機(jī)器學(xué)習(xí)模型，見(jiàn)表4。統(tǒng)計(jì)模型有明確的預(yù)測(cè)公式，而在多決策變量與解釋項(xiàng)的情況下，易過(guò)度擬合。機(jī)器學(xué)習(xí)模型的人工網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)在于能建立大量決策變量與目標(biāo)之間的關(guān)系模型，形成更全面、更完善的混凝土結(jié)構(gòu)基本性能建模方法[86-87]。Naseri等基于元啟發(fā)式算法，為引入新機(jī)器學(xué)習(xí)模型，開(kāi)發(fā)出海洋捕食者編程[88]與水循環(huán)算法[89]作為可持續(xù)混凝土配合比設(shè)計(jì)的精確方法。Habibi等[90]對(duì)摻有高爐礦渣和硅灰的再生混凝土的抗壓強(qiáng)度與使用壽命采取響應(yīng)面法預(yù)測(cè)，最終建立可持續(xù)潛力(FL/CCO2)響應(yīng)函數(shù)。

不同低碳材料組合應(yīng)用的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型還需建立，碳排放分析可采用生命評(píng)估模型深入研究，從材料生產(chǎn)階段拓展為生命周期，而混凝土性能目標(biāo)將補(bǔ)充使用壽命指標(biāo)。基于不同實(shí)際應(yīng)用，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)力學(xué)性能、耐久性、碳排放、成本等多目標(biāo)元啟發(fā)優(yōu)化，生成最佳混凝土配合比指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。

4結(jié)語(yǔ)

(1)目前低碳材料主要為復(fù)合水泥、地聚合物與 再生骨料等。其中，地聚合物混凝土碳減排潛力最顯著，研發(fā)低碳?jí)A激發(fā)劑與降低其用量是實(shí)現(xiàn)地聚合物碳減排的重要途徑；復(fù)合水泥中輔助膠凝材料的摻入率是碳減排效益的關(guān)鍵參數(shù)；再生骨料在減少運(yùn)輸距離、避免廢棄混凝土填埋、貯存階段碳吸收等方面具有碳減排潛力，可基于地理信息系統(tǒng)合理規(guī)劃廢棄混凝土資源化廠位置和分布。

表4考慮碳排放與強(qiáng)度的混凝土配合比設(shè)計(jì)方法Table 4Mix Proportion Design Method of Concrete Considering Carbon Emission and Strength

(2)不同碳排放分配方式下，低碳材料碳排放因子差異顯著，工業(yè)固體廢物回收待建立統(tǒng)一碳排放分配標(biāo)準(zhǔn)，再生骨料建議采用閉環(huán)分析避免分配。

(3)在設(shè)定混凝土強(qiáng)度下實(shí)現(xiàn)最低碳排放設(shè)計(jì)，復(fù)合水泥中粉煤灰、高爐礦渣的最佳摻入率分別為30%、50%左右。地聚合物碳排放與強(qiáng)度關(guān)聯(lián)性不強(qiáng)。再生混凝土在相同用水量下的碳排放與強(qiáng)度具有近似線性關(guān)系?？紤]原材料生產(chǎn)與運(yùn)輸階段，再生混凝土目標(biāo)強(qiáng)度低于臨界強(qiáng)度時(shí)，高取代再生骨料將可能實(shí)現(xiàn)更低的碳排放，其中臨界強(qiáng)度與骨料品質(zhì)相關(guān)。需要進(jìn)一步充分挖掘不同低碳材料影響力學(xué)性能的協(xié)同效益。

(4)基于強(qiáng)度與碳排放的混凝土配合比設(shè)計(jì)算法可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)搜索與優(yōu)化。低碳材料組合應(yīng)用的混凝土強(qiáng)度預(yù)測(cè)模型及其生命周期碳排放模型尚需完善?；炷聊途眯灾苯佑绊懡Y(jié)構(gòu)使用壽命、更新維護(hù)速率，保證耐久性，延長(zhǎng)使用壽命也減碳的重要途徑，因此后續(xù)研究有待進(jìn)一步補(bǔ)充耐久性指標(biāo)，建立基于強(qiáng)度與耐久性的碳減排設(shè)計(jì)模型。