配合比設計方法對再生混凝土生命周期評價的影響

章玉容，徐雅琴，姚澤陽，王龍龍

(1. 浙江工業大學 土木工程學院，浙江 杭州 310023；2. 杭州市商貿旅游集團有限公司，浙江 杭州 310003)

混凝土是最主要的建筑材料，預計2050年全球混凝土的需求量將上升至180 億噸[1]，由此導致了巨大的骨料需求，2015年的全球骨料消耗量約為483 億噸[2]。如此巨大的砂石骨料需求量，必然導致大量的山石開采而造成砂石資源的逐漸枯竭，故建筑業的可持續發展與骨料短缺的矛盾將日益突出。以廢棄混凝土經破碎、清理和分級等程序并按一定級配混合后形成的骨料來生產再生混凝土，不僅可以減少天然骨料的開采量，還可以減少廢棄混凝土填埋對土地的永久占用以及相應的環境污染。近年來，許多國家與地區頒布了再生混凝土結構設計規劃和應用技術指南，用于指導再生混凝土的工程應用[3-7]。

目前，國內外開始研究再生混凝土生命周期內的環境影響[8]，已有的研究大多采用等體積替代法來研究取代率對再生混凝土性能的影響，通過考慮再生骨料表觀密度大、吸水率較大的特性，為獲得與天然混凝土相同的強度等級，在配制時加入更多的水泥[9-10]。然而水泥是混凝土各組分中排放二氧化碳最多的原材料[11]，由此可能會導致再生骨料使用帶來的環境效益被額外的水泥消耗所造成的環境負荷而抵消。Fathifazl等[12]將再生骨料看作是由純骨料和附著的殘余砂漿組成的兩相材料，提出了等量砂漿法(Equivalent mortar volume, EMV)的再生混凝土配合比設計方法，與傳統方法相比，該方法配制的再生混凝土力學性能和耐久性能均表現較好[13]。因此，筆者將對比分析采用等體積替代法和等量砂漿法進行配合比設計時的再生混凝土的環境影響差異，從而為配合比設計方法的選擇提供環境方面的支撐。

1 研究方法

由于目前國內已開展了再生混凝土的配合比設計以及配制方法對再生混凝土的力學性能影響的相關研究[14-16]，本研究主要關注配制方法對再生混凝土生命周期評價結果的影響，因此，筆者僅簡要介紹再生混凝土配合比設計方法，并采用已有的試驗資料[13]對不同再生混凝土配合比設計方法下的再生混凝土的環境影響進行評價。

1.1 配合比設計方法

1.1.1 等體積替代法(Direct volume replacement, DVR)

制備混凝土時用一定體積的再生粗骨料來替代相同體積的天然骨料，其余的設計步驟與普通混凝土配合比設計相同。由于與天然骨料相比，再生骨料的表觀密度小，會造成再生混凝土中粗骨料的總質量減小；再生骨料的吸水率大，會導致混凝土的有效水膠比降低。

1.1.2 等量砂漿法(EMV)

等量砂漿法的基本思路為再生混凝土中粗骨料總量和漿體總量與相應的普通混凝土的粗骨料總量和漿體總量相同，如圖1所示[13]。

圖1 等量砂漿法配制再生混凝土的基本原理示意圖Fig.1 Schematic diagram of the basic principle of preparing recycled aggregate concrete by EMV

1.2 混凝土配合比

文獻[13]以再生骨料取代率為變量開展試驗，對比研究了等量砂漿法和等體積替代法配制的再生混凝土的力學性能，混凝土設計強度等級為C30，其試驗配合比及強度分別如表1，2所示。其中EMV方法的用水量包含兩部分，分別為不考慮再生骨料吸水率的單位用水量和考慮再生骨料吸水率而加入的附加水(為表格中括號內數字)。兩種配合比設計方法下，不同再生骨料取代率的混凝土具有相近的坍落度。表中NAC為天然混凝土，DVR-30為等體積替代法配制的再生混凝土，再生骨料替代率為30%，EMV-30為等量砂漿法配制的再生混凝土，再生骨料替代率為30%，其他編號含義如上。

表1 再生混凝土試驗配合比數據

表2 不同齡期再生混凝土抗壓強度Table 2 Compressive strength of recycled aggregate concrete at different ages 單位：MPa

1.3 生命周期評價

生命周期評價(Life cycle assessment, LCA)是一種系統量化產品生命周期內，即從原材料獲取，產品的生產加工、使用直至最后的處置過程，各種資源能源消耗和環境排放的方法[17]。LCA分為4個組成部分：目標與范圍的確定、清單分析、影響評價和結果解釋，其技術框架如圖2所示。

圖2 生命周期評價技術框架清單Fig.2 Life cycle assessment framework

1.3.1 目標與范圍的確定

本研究目標在于評價采用不同配合比設計方法配制再生混凝土時的環境影響差異，考慮到混凝土使用及廢棄階段的影響因素眾多，故采用“從搖籃到大門”的系統邊界，如圖3所示。功能單位是生命周期評價系統輸入輸出功能的量度指標[17]。功能單位的確定，有助于在清單分析時將收集的數據進行換算，并將系統內的輸入和輸出進行標準化，從而保證生命周期評價結果的可比性。首先，選擇1 m3混凝土作為功能單位來分析不同配合比設計方法下再生混凝土的環境影響;其次，由于再生骨料替代率會影響混凝土強度，綜合考慮體積和強度來分析再生混凝土的環境影響。

圖3 再生混凝土生產的系統邊界Fig.3 System boundary of the recycled aggregate concrete production

1.3.2 清單分析

再生混凝土生產過程中產生環境影響所涉及的階段主要包括：1) 各類原材料和水資源的生產；2)原材料運輸；3) 混凝土的制備。由于環境影響類別繁多，如全球變暖、臭氧層破壞、富營養化和固體廢棄物污染等，考慮到應對氣候變化的迫切性，本研究著重分析混凝土的碳排放。

文獻[11]給出了再生混凝土生命周期評價所需的清單數據，如表3所示。原材料的運輸距離會對混凝土碳排放計算產生影響，運輸距離與實際情況緊密相關，需要調研后才能確定，并且每個案例的運輸距離都不一樣，對分析結果并不具有普適性，故應根據調研的基準運距來確定運輸階段的碳排放。水泥為同城購買，平均運距為20 km，龔志起等[18]調研確定了天然骨料和再生骨料的平均運距，分別為100，50 km。一般對某個特定城市而言，天然骨料的運距是確定的，而再生骨料的運輸距離可變，本研究選取再生粗骨料基準運距的一半和天然細骨料運距的兩倍來對其進行參數分析，確定再生骨料運輸距離縮短或增加對碳排放計算結果的影響。

表3 再生混凝土生產的清單數據Table 3 Inventory of recycled aggregate concrete

1.3.3 影響評價

再生混凝土的碳排放可分為原材料生產碳排放、運輸碳排放和混凝土制備碳排放，計算公式為

Ce=Crm+Ct+Cp

(1)

式中：Crm，Ct，Cp分別為原材料生產、運輸和混凝土制備階段的碳排放；Ce為混凝土生產階段的總碳排放。原材料生產階段的碳排放Crm可根據各類混凝土的配合比和實際材料消耗數量，并乘以已確定的相應碳排放系數來確定；運輸階段的碳排放可根據各類原材料的重量，各類原材料運輸到工程現場的距離，以及所使用的運輸設備來確定，即

(2)

(3)

2 結果與討論

2.1 體積相關的再生混凝土碳排放

根據配合比和相應的清單數據，得到單位體積下各混凝土生命周期碳排放計算結果(表4)。

表4 1 m3混凝土生命周期碳排放計算結果(基準運距)

由表4可知:不論采用何種配合比設計方法，原材料生產階段碳排放占總排放的比例均為最大，運輸階段次之，混凝土制備階段最小。

當采用DVR法來配制再生混凝土時，再生混凝土的總碳排放要低于普通混凝土的總碳排放，并隨再生骨料替代率的提高而降低；由于再生粗骨料的單位碳排放要大于天然粗骨料的單位碳排放，故再生混凝土原材料生產階段的碳排放要大于普通混凝土的碳排放，并隨再生骨料替代率的提高而增加；由于再生粗骨料的運輸距離遠小于天然粗骨料的運輸距離，故再生混凝土運輸階段的碳排放要小于普通混凝土的碳排放，并隨再生骨料替代率的提高而降低。

當采用EMV法來配制再生混凝土時，由于水泥用量隨著再生骨料替代率的提高而減少(造成混凝土碳排放的最主要因素[11])，原材料生產階段碳排放隨再生骨料替代率的提高而降低；此外，采用該種方法配制混凝土時，雖然再生混凝土的總粗骨料用量要大于普通混凝土，但是由于細骨料用量有相應的減少，且再生粗骨料的運輸距離要遠小于天然粗骨料的運輸距離，故再生混凝土運輸階段的碳排放要小于普通混凝土的碳排放，并隨再生骨料替代率的提高而降低。因此，再生混凝土的總碳排放總體要低于普通混凝土的總碳排放。

圖4給出了當再生骨料運輸距離改變時，兩種配制方式下再生混凝土碳排放的差異。由圖4可知：不論再生骨料的運輸距離如何變化，采用EMV法配制再生混凝土時水泥用量顯著降低，并且水泥用量隨再生骨料替代率的增加而減少，因此對于相同的再生骨料取代率，采用EMV法配制的再生混凝土的碳排放均要低于采用DVR法配制的再生混凝土的碳排放，當再生骨料替代率由30%增加到70%時，碳排放的降低比例大約由6%變為15%。由此可見，當對比單位體積碳排放時，與傳統的DVR法相比，采用EMV法配制再生混凝土更加具有環境優越性。此外，當再生骨料的運輸距離增加時，采用DVR方法配制的再生混凝土碳排放將大于普通混凝土，表明再生骨料的運輸距離存在臨界值，即當再生混凝土的運輸距離超過某一臨界值時，再生混凝土將造成更多的環境影響。

圖4 兩種配制方式下混凝土碳排放差異Fig.4 Difference of carbon emissions of concrete by two mixture design methods

2.2 強度相關的再生混凝土碳排放

由表1，2可知：采用不同配合比設計方法配制的再生混凝土強度有一定的差異，而且與普通混凝土也不相同。因此在分析混凝土的碳排放時，不應僅考慮其配合比相關(1 m3混凝土)的碳排放，還應綜合考慮其力學性能對碳排放的影響[19]。表5給出了采用基準運距時，不同齡期下混凝土的單位強度碳排放。

表5 不同齡期下混凝土的單位強度碳排放(基準運距)

由表5可知：隨著齡期的增長，水化反應逐漸完全，混凝土強度隨之提高，故混凝土的單位強度碳排放均隨著齡期增長而降低。采用DVR法配制再生混凝土時，不同齡期下再生混凝土的單位強度碳排放與再生骨料替代率的關系并不一致。在7 d和14 d齡期時，再生混凝土的單位強度碳排放隨再生骨料替代率的增加呈現先降低后增加的趨勢，然而在28 d齡期時，再生混凝土的單位強度碳排放隨再生骨料替代率的增加而增加，并且變化程度很小。采用EMV法配制再生混凝土時，不同齡期下再生混凝土的單位強度碳排放總體上隨再生骨料替代率的增加均呈現先降低后增加的趨勢，在28 d齡期下，再生骨料替代率為50%和70%的單位強度碳排放的差別很小，幾乎可以忽略不計。由此可見，采用EMV法配制再生混凝土時，綜合考慮強度對碳排放的影響，加大再生骨料的取代率可保證再生混凝土的環境友好性，并緩解天然骨料的需求量及減少建筑垃圾的填埋量。

對比分析DVR法和EMV法配制再生混凝土的單位強度碳排放可知：對于相同齡期和再生骨料替代率，采用EMV法的單位強度碳排放均要低于DVR法的單位強度碳排放。因此，從保護環境的角度出發，應深入研究EMV法配制再生混凝土，并推動該配合比設計方法在實際工程中的應用。

3 結 論

通過分析兩種再生混凝土配合比設計方法配制的再生混凝土碳排放的差異，得出了以下結論：基于單位體積的功能單位進行混凝土生命周期評價時，不論再生骨料的運輸距離如何變化，采用等量砂漿法(EMV法)配制的再生混凝土的碳排放均要低于采用等體積替代法(DVR法)配制的再生混凝土的碳排放，主要原因在于EMV法將再生骨料考慮成純骨料和殘余砂漿復合的兩相材料，在進行配合比設計時可減少水泥用量。此外，兩者的碳排放差異隨再生骨料取代率的增加而增大，當再生骨料替代率由30%增加到70%時，碳排放的降低比例大約由6%變為15%；當再生骨料的運輸距離增加時，采用DVR方法配制的再生混凝土碳排放將大于普通混凝土，表明再生骨料的運輸距離存在臨界值，即當再生混凝土的運輸距離超過某一臨界值時，再生混凝土將造成更多的環境影響。綜合考慮強度對再生混凝土碳排放的影響時，對于相同齡期和再生骨料替代率，采用EMV法的單位強度碳排放均要低于DVR法的單位強度碳排放；采用EMV法配制再生混凝土時，不同齡期下再生混凝土的單位強度碳排放隨再生骨料替代率的增加均呈現先降低后增加的趨勢，在28 d齡期下，再生骨料替代率為50%和70%的單位強度碳排放的差別很小。因此，加大再生骨料的取代率可保證再生混凝土的環境友好性，并緩解天然骨料的需求量及減少建筑垃圾的填埋量。