高性能混凝土綠色度評價的研究進展

李化建，謝永江，易忠來，譚鹽賓，馮仲偉

(1.中國鐵道科學研究院 鐵道建筑研究所，北京100081;2.中國鐵道科學研究院 科研處，北京100081)

《綠色建筑評價標準》［1］(GB/T 50378—2006)和《環境標志產品技術要求預拌混凝土》［2］(HJ/T 412—2007)頒布實施，標志著我國已經進入綠色建筑時代。混凝土綠色度的高低在一定程度上決定了建筑的綠色等級。在綠色奧運建筑評估體系中將建筑材料作為一個獨立的和重要的單元，引入全壽命周期分析理論與方法對其綠色度進行評價［3-4］。針對高速鐵路綠色混凝土進行專門立項研究，相關的研究成果如尾砂灰渣CFG樁樁體材料［5-6］、灰渣混凝土、脫硫石膏基秸稈保溫墻體材料［7］等已被應用到工程實踐中。但對于混凝土或建筑材料綠色度的評價還處于定性或半定性的研究階段，缺少混凝土綠色度評價標準以及綠色度基礎數據是制約混凝土綠色度評價的主要瓶頸。本文對混凝土綠色度研究進展的總結旨在起到拋磚引玉之效。

1 混凝土綠色度的內涵

作為大宗材料，混凝土在我國基礎建設得到大量應用的同時，也成為我國能源浪費、資源消耗與環境污染的主要來源。吳中偉院士最早提出綠色高性能混凝土概念，他認為綠色混凝土應節約資源、能源，不破壞環境以及可持續發展，具體來說綠色混凝土的特征為更多地節約水泥熟料，減少環境污染;更多地摻加以工業廢渣為主的活性細摻料;更大地發揮高性能優勢，減少水泥和混凝土的用量［8］。孫振平等也闡述了綠色混凝土應具備的條件，包括原材料選擇(綠色水泥、利用工礦農業固體廢棄物、盡量采用工業廢液制備外加劑)、制備技術優化(減少水泥用量、集中攪拌、高工作性、高耐久性)以及廢棄混凝土再利用等［9］。實質上綠色混凝土是指采用綠色原材料，經過綠色設計與綠色制造工藝，所制備出的滿足綠色使用要求的混凝土。

綠色度則是反映產品在滿足功能性的前提下，與環境相容程度的指標。混凝土綠色度是用來表征混凝土綠色化程度的指標，即混凝土在其整個生命周期中對資源和能源的消耗及利用率、對環境危害程度大小(亦即產品對環境的友好程度)的綜合評價指標。綠色度的內涵很豐富，它并不是一個單純的量化指標，而是集產品的功能性、經濟性、環境性以及可再利用性等特性，且考慮各特性權重的綜合性指標。混凝土用量的大宗性及其性能的復雜性，決定了混凝土綠色度特殊性，具體表現如下:

1)綜合性:綠色度是表征產品多個性能的綜合性指標，是產品滿足功能性、經濟性與環境性的統一。對于不同產品，其內涵并不一致，有的產品功能性權重較大，有的產品環境性權重較大，還有的產品經濟性所占權重大。與人民生命安全息息相關的結構工程，其主體材料——混凝土的功能性是其綠色度的前提和基礎。

2)科技性:綠色度是一個賦予豐富科技內涵的概念，不同科學技術水平下，所選參照物就不同，基準不同，其綠色度就會隨之變化。例如水泥綠色度的確認，在20世紀80年代所選的工藝水平、設備狀況與現在會有很大差別，這就決定了綠色度量值的不同。就混凝土綠色度而言，不同行業所偏重的評價指標也不相同，房建行業所考慮的混凝土綠色度要更多考慮其放射性、外加劑中甲醛含量。而對于鐵路行業所考慮混凝土綠色度則側重混凝土中重金屬溶出率等。混凝土綠色度的科技性也可稱之為其相對性，實質上綠色度是一個相對比值，即被評價目標與基準目標之間的比值，基準目標的選擇、評價指標的量化以及評價指標的權重與技術水平有很大關系。

3)模糊性:綠色度量化一直困擾著科技界，其原因是綠色度本身的模糊性，其模糊性主要體現在邊界的確定及其各因素權重的確定。例如評價混凝土的綠色度，是考慮水泥原材料的選用，還是直接將水泥當作混凝土的原材料。各因素之間權重的確定是綠色度量化又一關鍵難題，對于混凝土這一大宗材料而言，功能性、經濟性與環境性之間的權重究竟是孰重孰輕很難界定，必須根據具體工程的實際情況來確認。

2 混凝土綠色度評價指標體系

混凝土綠色度評價指標體系建立主要取決于綠色度評價的邊界。從過程控制而言，混凝土綠色度評價指標應包括從綠色設計、綠色原料、綠色制造、綠色施工、綠色使用到綠色回收的全過程因素。從性能控制而言，混凝土綠色度評價指標體系應包括功能性、經濟性與環境性三個方面。

預拌混凝土環境標準產品提出的技術要求包括基本要求與技術內容兩方面［2］，基本要求中規定混凝土產品質量應符合《預拌混凝土》GB/T 14902標準的要求;企業污染物排放必須符合國家或地方規定的污染物排放標準要求;產品生產應采用計算機自動控制的生產工藝，具有計量自動補償、數據儲存、統計和查詢功能;產品生產過程產生的固體廢棄物回收利用率達95%以上;產品生產過程產生的工業廢水回收利用率達100%，產品生產中所使用水泥的散裝率達到100%。技術內容包括混凝土的內射指數不大于0.9，外射指數不大于0.9;混凝土中水溶性六價鉻不大于0.2×10-6(質量分數);礦物摻合料占膠凝材料總量的質量分數不小于30%，當利用尾礦砂、尾礦石作骨料時，尾礦與礦物摻合料體積之和占混凝土總體積分數不小于30%;混凝土釋放到空氣中的污染物(游離甲醛、苯、氨、總揮發性有機化合物TVOC)應滿足相應要求。有學者將混凝土綠色度綜合評價指標確定為①單方混凝土不可再生能源的消耗(包括水泥生產時消耗的能量)EDP;②單方混凝土不可再生原料的消耗ADP;③單方混凝土的環境污染綜合指數 EII［10］。也有學者基于輕集料混凝土提出了包括五因素的混凝土綠色度評價指標體系，即包括生產效率、質量、成本、產品的資源消耗和產品生產中對環境的污染等［11］;還有學者基于工業與民用建筑提出的混凝土綠色度評價指標體系包括組成混凝土原材料的放射性(滿足GB6566)、室內空氣質量(滿足GB50325)、水泥減少的比例以及混凝土耐久性變化幅度等，其中水泥減少的比例包括能源消耗減少的比例、資源消耗減少的比例、CO2排放減少的比例;混凝土耐久性變化幅度包括碳化值變化幅度、耐久性指數變化幅度與電通量變化幅度等［12］。

作者基于鐵路作用環境(碳化環境、氯鹽環境、凍融環境、化學腐蝕環境以及磨蝕環境)建立鐵路混凝土綠色度評價指標體系，如圖1所示。其中抗壓強度T為碳化作用下綠色度評價指標，抗壓強度M為磨蝕環境綠色度評價指標［7］，氯離子擴散系數、耐久性指數以及硫酸鹽干濕循環次數分別為氯鹽環境、凍融環境與化學腐蝕環境下的功能性指標。

圖1 混凝土綠色度評價指標體系

3 混凝土綠色度評價方法

張云升、孫偉等利用反饋匿名函詢法(Delphe)和物元分析方法對混凝土的綠色度進行綜合評價，將混凝土綠色度指標的物元確定為單方混凝土不可再生能源的消耗EDP、單方混凝土不可再生原料的消耗ADP與單方混凝土的環境污染綜合指數EII，通過關聯分析確定綠色度單個指標與混凝土綠色度等級的關聯度，以EDP物元為例，a為EDP物元實際值，a1與a2為單個指標混凝土綠色度分類標準中的區域數值，最后通過權重計算混凝土綠色度綜合評價指標，判定混凝土綠色度的歸屬［10］。該方法必須要有混凝土綠色度的基礎數據，根據基礎數據，計算比較產品與基準數據的關聯度。

胡曙光等以輕集料產品的生產效率、產品質量、綜合成本、資源消耗以及對環境的影響等五個因素為評價指標，利用模糊數學方法，提出了綠色度評價模型，如公式1所示，利用層次分析法，根據判定尺度定義(如表1)，進行各評價指標相對重要程度的判斷矩陣，從而對輕集料混凝土的綠色度進行評價，得出利用淤泥、污泥和劣質粉煤灰等工農業和生活廢棄物為原料制備的輕集料是高綠色度的產品［11］。基于模糊數學與權重的方法，目前應用較多。

式中 G——為混凝土綠色度的模糊評判集，即量化矩陣;

ω——為權重集;

R——為綠色度評價矩陣;

ωi——為第i影響綠色度的權重值rij——為第 j個綠色度值。

表1 兩指標(i和j)判定尺度定義

王安嶺、路來軍等針對工業與民用建筑基于組成混凝土原材料的放射性(滿足GB6566)、室內空氣質量(滿足GB50325)、綠色度指標(水泥減少的比例、混凝土耐久性變化幅度)等，耐久性指標包括碳化值、耐久性指數與電通量等，提出了綠色混凝土的評價公式，如式(2)。該方法對于工業與民用建筑較為合適，因為其前提是要滿足原材料的放射性與室內空氣質量［12］。

式中 Δn——摻入摻合料后能耗減少的比例;

Δm——摻入摻合料后資源消耗減少的比例;

Δl——摻入摻合料后CO2排放減少的比例;

ΔC——摻入摻合料后碳化值變化幅度;

ΔDF——摻入摻合料后耐久性指數變化幅度;

ΔQ——摻入摻合料后電通量變化幅度。

隋同波、王玲等提出了水泥、混凝土及其制品綠色度評價的基本框架，即包括產品質量、資源消耗、能源消耗、環境污染、清潔生產以及本地化等六個方面，文中給出了水泥綠色度相關的基礎數據，如可比熟料燒成煤耗風級定級、可比水泥綜合電耗分級定額、生產設備粉塵或粉塵排放量限值、水泥廠粉塵無組織排放限值、生產設備煙塵或粉塵排放限值、生產設備大氣污染物排放限值等［11］。

4 混凝土綠色度的評價等級

混凝土綠色度評定等級與評價指標體系關系較大，文獻［10］根據單個綠色度指標將C60混凝土分為高綠色、中綠色、綠色和非綠色四類，如表2所示［13］。文獻［11］等按照綠色度綜合指標將混凝土綠色度分為非綠色、低綠色、中綠色和高綠色四類，如表3所示。

表2 單個指標對C60混凝土綠色度等級的分類標準

表3 混凝土綠色度分級指標

林宗壽等研究了環境材料的功能性、經濟性和環境協調性評價方法及其評價指標。結合環境材料的定義提出了評價環境材料的綜合判據表達式，如式(3)所示。當某一材料C≥1，F≥1時，表明它已滿足環境材料經濟性和功能性的基本要求，此時，當 P≥1時，即可稱之為環境材料［14］。

E=e/e′，e′、e 表示材料的環境協調性指標及對應環境材料的環境協調性標準指標。

C=c/c′，c′、c 表示材料的經濟性指標及對應環境材料的經濟性標準指標。

5 混凝土綠色度評價關鍵技術

混凝土綠色度評價的關鍵技術在于兩方面，一是混凝土綠色度評價指標體系的建立;二是評價指標體系中各指標之間權重的確定。

混凝土綠色度評價指標體系關系到能否全面體現混凝土綠色度的內涵，在具體建立時主要是要考慮全面、量化來確定獨立指標對混凝土綠色度的貢獻。目前我國缺少混凝土綠色度的基礎數據，也沒有相關標準規范可以參考，這是制約混凝土綠色度單個指標量化的主要障礙。評價指標體系取決于混凝土綠色度評價起始與終止邊界的確定，以及混凝土能量流過程控制分解。建議對于混凝土綠色度評價起始邊與終止界上要在綠色度評價原則中闡明，這樣，不同研究者的研究成果才有可比性;在混凝土能量流過程控制分解方面，主要涉及到是否考慮混凝土廢棄過程，目前工程結構是以耐久性為前提的，如果結構物能夠滿足在設計使用年限安全服役，這樣就可以不考慮廢棄階段，將綠色使用作綠色度能量流的終止邊界，當然將廢棄混凝土用作新的建筑材料(再生骨料)可以看作是另一類混凝土綠色度評價的起始邊界。在單個評價指標量化方面應采用統計規律，所采用的數據能夠反映整個行業的平均水平。

綠色度評價指標體系中各指標權重的確定將對混凝土綠色度綜合指標起到至關重要的作用。由于權重的確定人為因素較大，建議采用德爾菲法，該法本質上是一種反饋匿名函詢法。其大致流程為:在對所要預測的問題征得專家的意見之后，進行整理、歸納、統計，再匿名反饋給各專家，再次征求意見，再集中，再反饋，直至得到穩定的意見。該方法有別于其他專家預測方法的三個明顯的特點分別是匿名性、多次反饋、小組的統計回答。匿名性是指從事預測的專家彼此互不知道其他有哪些人參加預測，他們是在完全匿名的情況下交流思想的;多次有控制的反饋是指小組成員的交流是通過回答組織者的問題來實現的，它一般要經過若干輪反饋才能完成預測;統計回答是指報告一個中位數和兩個四分點，其中一半落在兩個四分點內，一半落在兩個四分點之外。這樣，每種觀點都包括在這樣的統計中，避免了專家會議法只反映多數人觀點的缺點［15］。

6 結論

混凝土綠色度是評價高性能混凝土與環境相容性的關鍵指標，開展混凝土綠色度的研究對于提高固體廢棄物綜合利用率、減少資源和能源消耗、緩解環境污染以及節約工程造價具有重要的意義。混凝土綠色度的研究還任重道遠，為促進混凝土綠色度盡快推廣應用，應盡快開展以下工作:

1)由國家立項開展混凝土綠色度基礎數據的研究，按照資源分布情況與混凝土技術水平分區域建立混凝土綠色度的數據庫。

2)制訂和完善混凝土綠色度相應的技術規范，讓設計單位、施工單位和制造單位有據可依。

［1］中華人民共和國建設部.GB/T 50378—2006綠色建筑評價標準［S］.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［2］國家環境保護總局.HJ/T 412—2007環境標志產品技術要求預拌混凝土［S］.北京:中國環境科學出版社，2006.

［3］綠色建筑奧運建筑研究課題組.綠色奧運建筑評估體系［M］.北京:中國建筑工業出版社，2003.

［4］朱穎心.綠色奧運建筑評估與綠色建材評價［J］.中國建材，2005(7):95-96.

［5］趙國堂，李化建.高速鐵路高性能混凝土應用管理技術［M］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［6］李化建，趙國堂.高速鐵路尾砂灰渣CFG樁體材料試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2008.

［7］李化建，謝永江.京滬高速鐵路灰渣秸稈混凝土材料試驗研究［R］.北京:中國鐵道科學研究院，2008.

［8］吳中偉.綠色高性能混凝土與科技創新［J］.建筑材料學報，1998(1):1-7.

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［10］張云升，孫偉，劉思鳳.綠色混凝土量化指標體系的研究［J］.工業建筑，2002，32(5):57-59，49.

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