于 敏，王 鵬

（江蘇大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013，E-mail：upeswp@ujs.edu.cn）

混凝土被認為是僅次于水的第二大物質(zhì)資源，每年消耗約 130億 t，構(gòu)成了混凝土的主要組成部分，骨料占比高達60~75%[1]。如此大的需求量必然涉及骨料開采、加工和運輸作業(yè)，這消耗了能源的同時也破壞了環(huán)境。不僅如此，骨料和混凝土的消耗不可避免地導(dǎo)致了建筑廢棄物的產(chǎn)生，約占全球固體廢棄物總量的30~35%[2]，且呈現(xiàn)出持續(xù)增長之表征。當前處理此類廢棄物最常見的方式仍然是填埋。如若將廢棄物粉碎為再生骨料，有助于減緩天然骨料開采及廢棄物填埋致使的環(huán)境影響。

目前國內(nèi)外對再生混凝土的研究多關(guān)注于環(huán)境影響和經(jīng)濟可行性方面。在環(huán)境影響方面，主要采用全生命周期評價方法（LCA）對再生混凝土全生命周期內(nèi)存在的潛在環(huán)境影響加以量化、評估。有些研究[3，4]表明再生混凝土可以減少一些稀缺資源的使用，有助于降低碳排放并避免垃圾填埋，可帶來明顯的環(huán)境效益。其中 Hossain等[5]研究證實與天然粗骨料相比，由建筑廢棄物破碎后形成的再生粗骨料降低了65%的溫室氣體排放，并節(jié)約了58%的不可再生能源。在利潤驅(qū)動的行業(yè)中，僅僅考慮環(huán)境優(yōu)勢會阻礙其推廣應(yīng)用，一些學(xué)者根據(jù)生命周期評價法對再生混凝土進行生命周期成本核算（LCC），以評估整個全生命周期內(nèi)的成本[6]。Shi X等[7]對再生混凝土進行生命周期成本評估，指明相較于天然混凝土，其生命周期成本低且有更好的經(jīng)濟效益。根據(jù)國際混凝土組織環(huán)境委員會的一項報告[8]，通過利用再生骨料取代天然骨料，估計可以節(jié)省高達60%的材料費用。

以上研究表明剖析再生混凝土環(huán)境影響與經(jīng)濟可行性已成為亟待解決的重要前沿科學(xué)問題。但對于不同骨料取代率下的混凝土，從不同視角看其優(yōu)勢不同，由此不能僅從單一方面進行評估。基于此，本文從全生命周期的視角構(gòu)建了再生混凝土碳排放量和成本核算模型，并采用TOPSIS法對再生混凝土環(huán)境和經(jīng)濟指標進行多目標優(yōu)化，旨在確定滿足經(jīng)濟和環(huán)境最佳的適配性方案，以便為工程決策提供參考。

1 研究目標和計算邊界

在國際標準組織（ISO）中定義了全生命周期分析方法的4個階段[9]，即定義目標和邊界、清單分析、分析影響、解釋結(jié)果，目前已廣泛應(yīng)用于工程、建材等行業(yè)[3，4]。

本文研究目標為：構(gòu)建天然與再生混凝土碳排放量和成本計算邊界及計算模型；對比天然混凝土和再生混凝土的相對等效碳排放量及成本；探究滿足經(jīng)濟和環(huán)境目標要求的混凝土最佳決策方案。

以南京地區(qū)為例，假設(shè)一座新建建筑分別采用天然混凝土和再生混凝土作為主要材料，在此之前拆除建筑所產(chǎn)生的建筑廢棄物，其處理處置活動需納入邊界。Ding T等[10]研究指出，若天然混凝土和再生混凝土結(jié)構(gòu)具備相同設(shè)計及強度，其構(gòu)件在澆筑和拆除階段碳排放量幾乎一致，因此這兩個階段不列入研究邊界范圍?；诖?，本文的系統(tǒng)邊界為原材料生產(chǎn)階段、運輸階段、混凝土生產(chǎn)階段、填埋階段，如圖1所示。功能單位是生命周期評價體系中反應(yīng)產(chǎn)品輸入輸出能力的單位量度[11]，本文選取1m3為功能單位進行研究。

圖1 不同類型混凝土全生命周期系統(tǒng)邊界

2 再生混凝土碳排放量和經(jīng)濟核算清單

2.1 碳排放量核算清單

根據(jù)再生混凝土全生命周期計算邊界的劃分，所運用能源碳排放系數(shù)參考國際權(quán)威機構(gòu) IPCC（Intergovernmental Panel on Climate Change，政府間氣候變化專門委員會）及CNMLCA建立的中國材料生命周期清單庫，我國目前使用的能源碳排放系數(shù)多采用此結(jié)果，材料碳排放系數(shù)選取基于國家統(tǒng)計數(shù)據(jù)、權(quán)威性數(shù)據(jù)及國內(nèi)已發(fā)表論文中代表性數(shù)據(jù)，統(tǒng)計結(jié)果如表1~表3所示。在運輸階段，本文假設(shè)物料運輸工具為 12t柴油貨車，耗油量約20L/100km。由于運輸物料去往不同目的地的運距差異較大，因此根據(jù)文獻[11]進行了合理的假設(shè)。配合比引用李佳彬等[12]試驗數(shù)據(jù)，如表4所示。

表1 主要材料碳排放系數(shù)

表2 主要能源碳排放系數(shù)

表3 運輸過程及其運輸距離

表4 1m3再生混凝土和天然混凝土的配合比（kg）

2.2 經(jīng)濟核算清單

根據(jù)生命周期計算邊界的劃分，各階段基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集主要結(jié)合文獻權(quán)威數(shù)據(jù)及最新原材料直接成本和能源單價信息表數(shù)據(jù)[16]。如表5~表7所示。

表5 原材料單位直接成本

表6 能源成本

表7 其他成本/收益

再生骨料生產(chǎn)價格根據(jù)機械設(shè)備費用、燃料費、人工費計算得到。其中再生骨料設(shè)備費用取12.1238元/t[3]，人工費用取2.297元/t，燃料費包括柴油及用電消耗，根據(jù)實際消耗量和能源成本計算分別為4.80元/t、1.22元/t。

3 基于全生命周期碳排放量和成本的混凝土適配性方案

3.1 全生命周期碳排放量計算模型

CO2的排放是評估環(huán)境影響最重要的指標之一，已廣泛應(yīng)用于環(huán)境影響研究中[3，4]。因此將其作為本文的環(huán)境影響參考值。根據(jù)計算邊界的界定，再生混凝土全生命周期碳排放量計算式為：

式中，E為再生混凝土全生命周期碳排放量（kg）；E1、E2、E3和E4分別為原材料生產(chǎn)階段、運輸階段、再生混凝土生產(chǎn)階段及填埋階段碳排放量.

（1）原材料生產(chǎn)階段碳排放量。原材料生產(chǎn)階段碳排放量即制備再生混凝土的原料在生產(chǎn)、加工過程中所產(chǎn)生的CO2，主要來源于能源消耗[11]，其計算式為：

式中，Mi為1m3再生混凝土中第i類原材料的用量；RME-i為第i種材料的單位碳排放系數(shù).

（2）運輸階段碳排放量。目前研究領(lǐng)域中，多用運輸距離法測算運輸階段的碳排放量[11]。其計算式為：

式中，Li為原材料i的運輸距離；ei為每公里運輸1kg原材料的能源消耗（kg./t*km）；Kj為單位能源碳排放系數(shù).

（3）生產(chǎn)再生混凝土碳排放量。再生混凝土制備過程碳排放量即原材料按一定比例混合攪拌過程中能源消耗所產(chǎn)生的碳排放量[11]，其計算式為：

式中，ej為1m3再生混凝土生產(chǎn)過程中第j類能源消耗量。

（4）填埋階段碳排放量。廢棄物填埋階段的碳排放由兩部分組成，即填埋過程中機器運行的碳排放和化學(xué)反應(yīng)直接碳排放[15]，其計算式為：

式中，W為垃圾填埋場廢棄混凝土的量；Vk為機器k的工作效率；ek為機器k每小時的工作能耗；f為廢棄混凝土化學(xué)反應(yīng)碳排放因子。

3.2 全生命周期成本計算模型

本文在進行再生混凝土成本分析時，不考慮廠房建設(shè)成本和稅款及時間因素的影響。根據(jù)計算邊界的界定，再生混凝土全生命周期成本計算式為：

式中，C為再生混凝土全生命周期成本；C1為原材料直接成本；C2為運輸階段成本；C3為混凝土生產(chǎn)階段成本；C4為填埋階段成本。

（1）原材料生產(chǎn)成本。在生產(chǎn)階段，包括水泥、天然骨料、砂、水及再生骨料的直接成本，其計算式為：

式中，CFi為第i種原材料直接成本。

（2）運輸階段的成本。根據(jù)Thomas[20]提出的計算準則，運輸費用由貨物量、運輸距離和單位運輸成本確定。

式中，Xit為材料i運往目標地t的單位運輸成本（元/t.km）；Dit為材料i運往目標地t的距離。

（3）混凝土拌合成本。計算式為：

式中，mr為1m3的r種混凝土；cr為r種混凝土的拌合成本。

（4）填埋階段成本。包括填埋設(shè)備的運行成本及填埋廢棄物的處置費用，計算式為：

式中，Cv為填埋設(shè)備的運行成本；T為建筑廢棄物的填埋處置費用。

3.3 再生混凝土環(huán)境與經(jīng)濟效益評價

環(huán)境效益與經(jīng)濟效益的計算方法借鑒田金枝[3]研究，其計算式為：

式中，R、HR分為再生混凝土的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益；R1、HR1分別為代替天然骨料帶來的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益；R2、HR2分別為減少建筑廢棄物處置帶來的經(jīng)濟效益、環(huán)境效益；R3為政府補貼。

（1）代替天然骨料帶來的效益。再生混凝土的生產(chǎn)，會減少對天然骨料的開采，從而節(jié)省了對天然骨料的生產(chǎn)、運輸作業(yè)。總經(jīng)濟效益計算式為：

式中，R11為設(shè)備的購置費用和設(shè)備的維修費用；R12為燃料消耗成本；R13為用電成本；R14為職工工資；R15為運輸階段成本。

式中，L為設(shè)備購置費（大型設(shè)備使用年限為10年）；a為再生骨料的年產(chǎn)量。

式中，F(xiàn)為柴油單價；b為1噸再生骨料的油耗。

式中，E為工業(yè)用電的單位售價；f為1噸再生骨料的電耗。

式中，S為每月應(yīng)支付的職工工資。

（2）減少建筑廢棄物處置帶來的效益。建筑廢棄物運往資源化利用廠意味這部分廢棄物不用進行簡易填埋，從而節(jié)省了運輸和填埋成本，計算公式為：

式中，R21、R22分別為建筑廢棄物運輸成本和填埋成本；HR21、HR22分別為減少建筑廢棄物運輸及填埋產(chǎn)生的碳排放量。

（3）政府補貼。為鼓勵建筑廢棄物資源化產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，國家和地方政府出臺對再生骨料生產(chǎn)的補貼政策，計算式為：

式中，ma為1m3再生混凝土中再生粗骨料的量；P為政府給予每噸再生骨料的補貼。

3.4 成本碳排放比計算模型

在可持續(xù)評價中，環(huán)境和經(jīng)濟往往都很重要，在相關(guān)研究[3]的基礎(chǔ)上，本文將成本與碳排放量之比定義為CE，用于全生命周期碳排放量和全生命周期成本的聯(lián)合分析。

3.5 TOPSIS算法

TOPSIS法，國內(nèi)稱為優(yōu)劣解距離法，根據(jù)評估方案系統(tǒng)中評價對象與理想方案接近程度對方案進行綜合排序的方法，在建筑業(yè)中有廣泛的應(yīng)用[21]。TOPSIS涉及決策矩陣、歸一化、最佳與最差解等步驟，如圖2所示，詳細過程在其他研究中已說明[22]。

圖2 使用TOPSIS選擇最優(yōu)方案的流程圖

4 結(jié)果分析

4.1 不同方案下全生命周期碳排放量和效益分析

不同方案下全生命周期的碳排放量和環(huán)境效益分析結(jié)果如圖3所示?？芍诓煌冶认拢寂欧帕慷汲尸F(xiàn)出隨取代率提高而降低的趨勢。經(jīng)對比發(fā)現(xiàn)，碳排放量的主要來源為水泥的生產(chǎn)與運輸階段，約占再生混凝土整個生命周期總碳排放量的92%~97.3%；再生骨料在生產(chǎn)階段降低的碳排放量并不顯著，當取代率為 100%時，也僅占生產(chǎn)階段碳排放總量的1.26%~1.18%。從各過程數(shù)據(jù)來看，運輸和填埋階段在再生混凝土整個生命周期降低的碳排放量較為明顯。對于運輸階段，相較于天然混凝土，再生骨料取代率為 100%碳排放量下降了39.6%~41.9%。其原因在于，再生骨料一般是由當?shù)貜U棄混凝土粉碎而得，來源受地域限制小，而天然粗骨料通常在偏遠郊區(qū)，因此再生混凝土在運輸階段的碳排放量相對較低。對于填埋階段，由于拆除得到的廢棄混凝土中有 65%可粉碎成再生粗骨料，因此使用再生混凝土的方案在填埋過程中碳排放量明顯降低，當再生骨料取代率為 100%時可降低90%。

圖3 基于不同方案的全生命周期碳排放量和環(huán)境效益

此外，隨著水灰比和再生粗骨料取代率的增加環(huán)境效益呈現(xiàn)上升態(tài)勢，再生骨料的增加可減少開采天然骨料，運輸過程的碳排放，且節(jié)約填埋場容量，因此使用再生混凝土具有較為顯著的環(huán)境效益。

4.2 不同方案下全生命周期成本和效益分析

不同方案下全生命周期成本和經(jīng)濟效益結(jié)果如圖4所示?？芍獰o論混凝土的目標強度如何，隨著再生粗骨料的增加，其成本逐漸降低。根據(jù)混合比例的不同，骨料取代率為 100%的再生混凝土成本相較于天然混凝土低 36.8%~39.56%，低強度的再生混凝土可以節(jié)省更多成本。進一步分析可知，導(dǎo)致再生混凝土成本低的原因在于，再生骨料較天然骨料運往混凝土攪拌站距離近，由此可節(jié)省大量的運輸費用，除此之外使用再生骨料替代天然骨料節(jié)省了將廢棄混凝土運輸至垃圾填埋場運輸費用及填埋等費用，這種效益可以通過現(xiàn)場回收廢棄物進一步優(yōu)化。

圖4 基于不同方案的全生命周期成本和經(jīng)濟效益

若將建筑廢棄物全部送往填埋場加以處置，垃圾填埋場入場費用較低，大約為2.5元/t，這也解釋了在現(xiàn)實中為什么大量的建筑廢棄物被送往填埋場及再生骨料在我國利用率較低的因素之一。

由圖4可知，隨著水灰比與再生粗骨料取代率的提高經(jīng)濟效益呈現(xiàn)增長態(tài)勢，這是由于再生骨料的增加減少了天然骨料運輸至再生混凝土攪拌站運輸成本及減少了建筑廢棄物處置帶來的效益。

4.3 基于LCA-LCC對不同方案優(yōu)化組合結(jié)果分析

將天然混凝土作為基準方案，再生混凝土和簡易填埋作為對比方案，對上述計算結(jié)果集成得到的數(shù)據(jù)進行環(huán)境與經(jīng)濟評估。圖5顯示了不同方案下的成本碳排放比，可知簡易填埋的成本碳排放比最高，高達8.875元/kg。當再生骨料取代率增加時，再生混凝土成本碳排放比呈現(xiàn)逐漸下降的趨勢，但都低于天然混凝土，從滿足環(huán)境和成本目標角度看，其值越低越好。顯示了各方案下環(huán)境與經(jīng)濟指標距離理想解的接近度，可知水灰比為0.47再生骨料取代率為 100%的混凝土可以滿足碳排放量最小，成本最低，環(huán)境和經(jīng)濟效益高的目標。對于簡易填埋這一處理方式，其綜合效果最差，不僅造成了資源的浪費和碳排放量增加，而且會使新制混凝土全部使用原材料，這無疑將增加整個系統(tǒng)的經(jīng)濟成本。

圖5 不同方案下成本碳排放比比較

根據(jù)國內(nèi)外學(xué)者對再生混凝土的研究，可知當再生粗骨料的摻量小于30%，對混凝土強度影響不大；取代率為50%的再生混凝土性能最好[12]。上述取代率為100%的再生混凝土是極端情況，在現(xiàn)實中是不可行的，因此結(jié)合其性能要求，最優(yōu)選擇是水灰比為0.39再生骨料取代為50%的再生混凝土。

5 結(jié)語

本文采用生命周期評估法構(gòu)建了再生混凝土碳排放量和成本計算模型，并采用TOPSIS方法對再生混凝土環(huán)境和經(jīng)濟指標進行多目標優(yōu)化，進而篩選出滿足經(jīng)濟和環(huán)境目標的適配性方案，并得出以下結(jié)論：從全生命周期視角出發(fā)，原材料生產(chǎn)階段占全生命周期比重大，其次為運輸階段；相比于天然混凝土，再生骨料替代率為 100%時，碳排放量減少了5.7%~7%，成本降低了36.8%~39.6%。不同水灰比下骨料取代率為 100%的再生混凝土滿足碳排放量小，成本低，經(jīng)濟效益好的要求，且隨著再生骨料取代率的增加，綜合效果逐漸增加，且都優(yōu)于天然混凝土。簡易填埋這一處理方式，其綜合效果最差。綜上所述當水灰比為0.47，再生骨料替代率為 100%的混凝土可以作為最佳解決方案，若考慮再生混凝土性能，水灰比為0.39再生骨料替代率為50%的混凝土作為最佳方案。應(yīng)盡快加大對資源化綜合處置場的建設(shè)，一方面借鑒國外經(jīng)驗加大其處理能力；另一方面，盡量使資源化利用場可以輻射到更多的建筑工地。除此之外，為促進再生混凝土的生產(chǎn)與應(yīng)用，需要政府在宏觀和微觀層面上從投資、補貼和管理上給予一定的支持。