高性能再生混凝土環境協調性評價＊

尹 健，鄒 偉，2，池 漪

(1.中南大學土木工程學院，湖南長沙410075;2.湖南中大設計院，湖南長沙410075)

混凝土材料自從問世以來，極大地推動了社會文明的進步，然而也帶了許多的環境問題，例如:大量資源與能源的消耗以及三廢的大量排放。目前，國內外對混凝土占用大量自然資源及對環境的負面影響已開展了大量研究，并由此引發了可持續發展的廣泛討論［1－2］。吳中偉于1997年3月在“高強、高性能混凝土會議”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展方向。其“綠色”的三大含義為:(1)節約資源、能源;(2)不破壞環境，更應有利于環境;(3)可持續發展，既可滿足當代人的需求，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，正是符合這一目標的綠色建材，其在改善混凝土材料的性能同時，著重注意廢棄物的利用以及減少其環境負荷影響。

本文運用生命周期評價(LCA)方法［3－4］，按照ISO14040系列標準［5］，對所配制的HPRAC，RAC及NC進行分析計算，確立一種有效評價混凝土材料環境協調性的量化模式，可以為綠色混凝土材料的發展與應用提高必要的理論依據，同時為推動再生混凝土在大規模工程應用和在商品化再生混凝土水平上實現根本性的突破提供技術支持。

1 試驗材料與混凝土配制

1.1 試驗材料

水泥(C):湖南寧鄉南方水泥有限公司生產的P·O42.5級水泥，其密度為3.13 g/cm2;水泥膠砂的3，28 d抗折強度分別為5.30，8.20 MPa，3，28 d抗壓強度分別為24.2，45.8 MPa;粉煤灰(FAⅠ):湘潭電廠風選Ⅰ級粉煤灰，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，細度模數2.8，符合Ⅱ區級配要求;減水劑(SP):東莞市伍山建材實業有限公司生產的WSN－30型緩凝高效減水劑;天然骨料(NA):碎石，級配符合5～26.5 mm的連續級配要求，相關性能見表1;再生骨料(RA):長益高速公路路面養護廢棄的混凝土(原生混凝土的粗骨料為卵石)，先經人工破碎成中等尺寸，然后用顎式破碎機破碎成小顆粒，并過篩，其級配符合5～26.5 mm的連續級配要求，相關性能見表1;水(W):自來水。

1.2 混凝土試驗配合比及測試結果

優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)的具體配合比參數及性能見表2。

2 高性能再生混凝土環境協調性評價

2.1 確定邊界條件

以HPRAC，RAC以及NC為研究對象進行LCA分析，假定其邊界條件為:(1)3種類型混凝土28 d抗壓強度基本一致，即研究對象均具有相同強度;(2)評價功能單位以1 m3混凝土計量;(3)評價周期從水泥生產開始至混凝土制成為止，不考慮能源生產環節對環境的影響;(4)與生產設備、建筑設施相關的環境污染不予考慮。

2.3 清單分析

2.3.1 水泥生產的環境負荷

清單分析(life circle inventory，簡稱LCI)主要在于確定混凝土生產各有關子系統的環境數據，包括該系統中各種物料及能源輸入的量和向環境中所排放廢棄物的輸出量。本章涉及到的公用系統的環境數據［6］見表3和表4。表中的電力生產的污染物數據是根據我國的發電能耗(以標準煤計)/kwh的平均值0.424 kg計算。另外，CO2的生成量按原煤固定碳含量的50%計算，原煤按20%計算。

表1 粗骨料基本性能試驗結果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 公用系統環境數據Table 3 Common environmental data system kg

表4 硅酸鹽水泥壽命周期過程的環境影響基礎數據Table 4 The basic data of portland cement during the life cycle environmental impact kg

通過表3～4數據，可以計算出制造1 t水泥并考慮運輸到混凝土配制地點時的環境影響評價的基礎數據.參照文獻［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，并且不考慮工業廢渣或工業廢料的再生利用。其中，原料開采的運輸距離為5 km，而水泥成品的運輸距離為30 km，其計算結果見表5。

2.3.2 混凝土配制過程的環境負荷

混凝土配制過程中引起環境負荷因素包括粗集料、細集料、拌制過程以及水泥等材料，水和減水劑在此不予考慮。天然粗骨料、細骨料統一采用表4中的原料開采的環境負荷數據，即13.89kwh/t［7］，再生粗骨料及混凝土生產分別耗電約13.75和2 kwh/m3。廢棄混凝土處理方式按將廢棄混凝土運送至20 km進行回填，并以此作為再生粗集料的環境負荷的減少量;可利用的再生粗骨料按廢棄混凝土的65%計算［8］。基于現有的研究成果［6，9－10］，高性能再生混凝土Ⅰ級粉煤灰的摻量按20%計算，粉煤灰的系統特征摻量Cm取為1.07，硅粉的協同特征摻量可按粉煤灰的1.2倍計算，即為1.284。從而可以計算出混凝土配制過程中各種因素引起的環境負荷，其具體結果如表6所示。

表5 生產1 t水泥所形成的環境負荷數據Table 5 The environmental load data of production of1 ton of cement kg

表6 混凝土制造過程中的環境負荷數據Table 6 The environmental impact data ofmanufacturing process of concrete

2.3.3 高性能再生混凝土LCA評價分析

根據表2中3種類型混凝土配合比，以及表5生產1 t水泥所得的環境負荷數據和表6混凝土在制造過程中的環境負荷數據可以對NC，RAC及HPRAC(按1 m3混凝土)進行環境影響清單分析(LCI)，其計算結果如表7所示。

2.4 生命周期環境影響分析與評價

2.4.1 分類

環境影響評價(impact assessment，簡稱IA)是生命周期評價的第3步，它在清單分析的基礎上，把評價系統中的各種輸入和輸出參數轉化成定量或半定量的指標來表征系統對環境造成的影響。影響評價主要針對生態平衡、人體健康、環境安全、資源或能源消耗等對象進行評價分析。因此在進行環境影響評價之前則應該根據LCI數據將上述3種混凝土對環境的影響類型進行分類，通常劃分為7類，見表8。

2.4.2 特征化

特征化，主要是要開發一種模型，這種模型可以將LCI提供的數據和其他輔助數據，轉變成描述環境影響的專用指標。目前，國際上使用的特征化模型主要有3種:(1)負荷模型;(2)當量模型;(3)固有化學特性模型.本文采用當量模型，這類模型使用當量系數來匯總LCI所提供的數據，例如，0.7kg NOx相當于1kg SO2產生的環境酸化的潛力。當量模型的前提是匯總的當量系數可以用來度量潛在的環境影響，因此各環境指標都是以參照物的總量表示，可稱為環境污染當量數，常見污染物對應的環境影響當量見表9。

表7 NC，RAC和HPRAC的LCI數據總匯Table 7 The LCI data of NC，RAC and HPRAC

表8 混凝土環境影響分類Table 8 Concrete environmental impact categories

并以此作為基礎，根據表7的LCI數據可以計算各混凝土的相關環境影響的當量數。其中，EDP的計算可以參照表3中的換算關系，將電耗以及油耗轉換成相應的煤耗以后再進行當量數的計算。由于表9中沒有固體廢物的數據，所以對于表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產生的粉塵計算。

2.4.3 標準化

為實現最終結果的單一表示，必須將各環境指標的量綱統一化，此時可以用某一種產品的環境污染當量數與整個研究范圍內相應環境污染總當量的比值表示［11］，即為該產品的環境污染相對指數，其計算公式如下:

環境影響的世界當量總數見表10所示。

因此，結合上述表7、表9～表10，可以計算出各組混凝土的相關環境影響和當量數，并按式(1)可以計算出每種混凝土的污染相對指數，計算結果見表11。

表9 常見污染物對應的環境影響當量數Table 9 Common environmental pollutants equivalent number of corresponding

表10 環境影響的世界當量總數Table 10 The total number of equivalent environmental impact of the world

表11 各混凝土相關環境影響、當量數及相對指數Table 11 Concrete relevant environmental impact indicators

表12 混凝土LCA評估權重系數Table 12 Weight coefficient of LCA on concrete

2.4.4 環境綜合指數計算

在一種材料的生命周期里，它不斷地與環境發生交流與聯系，從而對周圍的環境產生各種影響，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、溫室氣體效應、電磁波污染、光污染和有機揮發物等影響。然而材料對環境的每一種影響因素的計量單位以及重要程度都不盡相同，故為了實現量化，使評價結果具有可比性，通常采用根據材料對環境影響的重要程度進行有關的加權與分級。根據材料LCA環境影響評估(IA)方法，對混凝土LCA評估的環境綜合指數E可按下式計算:

本文混凝土材料對環境影響的權重系數參考文獻［12］中的數據，具體見表12。

按照式(2)以及表11～表12的數據可以計算各組混凝土(1 m3)的環境綜合指數，計算結果如下:

從表8混凝土的LCI數據可以看出，混凝土中使用再生骨料以及活性工業廢渣可以明顯降低混凝土的環境負荷，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%。從環境綜合指數來看，其大小依次為: HPRAC＜RAC＜NC。HPRAC的綜合環境指數E為10.460×10－12年，其相比RAC降低了11.6%，相比NC降低了36.6%。這說明，在28 d齡期抗壓強度基本相同條件下，再生混凝土環境負荷減小，并且高性能再生混凝土減少更為明顯。

3 結論

(1)使用生命周期評價(LCA)方法可以很好地對混凝土的制造過程中的環境影響進行評價;環境綜合指標E可以作為定量評價不同材料對環境影響的評價指標.

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

［1］Limbachiya M C，Leelaw at T，Dhir R K.Use of recycled concrete aggregate in high－strength concrete［J］.Materials and Structures，2000，33:574－580.

［2］Zuo TY，Nie ZR.Proceeding of the International Symposium of Environment Conscious Materials Ecomaterials［C］//39th Annual.Conference of Metallurgists of CIM，Ottawa，Canada，2000:41.

［3］van den Berg N W，Dutilh C E.Beginning LCA:A detch guide to environmental life circle assessment［C］//Mary Ann Curran.Environmental life circle assessment.Cincinnati，Oh:The McGraw－Hill Companies，1996.

［4］Terrie K Boguski，Robert G Hunt，James M Cholakis，et al.LCA Methodology［C］//Mary Ann Curran.Environmental life circle assessment. Cincinnati，Oh:The McGraw－Hill Companies，1996，2.1～2.37.

［5］1S014040，Environmental management life cycle assessment principles and frameworks［S］.

［6］劉江龍.材料的環境影響評價［M］.北京:科學出版社，2002.LIU Jiang-long.The environmental impact assessment of Material［M］.Beijing:Science Press，2002.

［7］徐亦冬，吳 萍，周士瓊.粉煤灰再生混凝土生命周期評價初探［J］.混凝土，2004，(6):29－32.XU Yi-dong，WU Ping，ZHOU Shi-qiong.Preliminary study of life cycle assessment of recycled concrete containing fly ash［J］.Concrete，2004，(6):29－32.

［8］萬惠文，水中和，林宗壽，等.再生混凝土的環境評價［J］.武漢理工大學學報，2003，25(4):17－25.WAN Hui-wen，SHUI Zhong-he，LIN Zhong-shou，et al.The environmental impact assessment of materialrecycled concrete［J］.Journal of Wuhan University of Technology，2003，25(4):17－25.

［9］孔德玉.摻粉煤灰混凝上生命周期評價方法初探［J］.浙江工業大學學報，2002，30(2):172－177.KONG De-yu.Preliminary study of life－cycle assessment of fly－ash concrete［J］.Journal of Zhejiang University of Technology，2002，30(2):172－177.

［10］沈旦申，廖欣.粉煤灰混凝上的勢能化［J］.硅酸鹽學報，1999，27(2):121－126.SHEN Dan-shen，LIAO Xin.Study on the potential of fly ash concrete［J］.Journal of the Chinese Ceramic Society，1999，27(2):121－126.

［11］王天民.生態環境材料［M］.天津:天津大學出版社，2000.WANG Tian-min.Eco－materials［M］.Tianjin:Tianjin University Press，2000.

［12］劉順妮.水泥—混凝土體系環境影響評價及其應用研究［D］.武漢:武漢理工大學，2002.LIU Shun-ni.Study on the environmental impact assessment and improvement of cement＆concrete system［D］.Wuhan:Wuhan University of Technology，2002.