基于生命周期評價法的擋土墻環境影響分析*

李麗華 張怡心 屠嫻哲 梅利芳# 宋 楊

(1.湖北工業大學土木建筑與環境學院,湖北省生態道路工程技術研究中心,湖北 武漢 430068;2.河北省巖土工程安全與變形控制重點實驗室(河北水利電力學院),河北 滄州 061000)

建筑業作為溫室氣體排放的主要來源,貢獻了全球1/3溫室氣體排放,且其能源消耗占全球的30%～40%[1];而擋土墻作為建筑領域常見構造物,合理優化與控制其生命周期內能源消耗及污染物排放,對發展低碳經濟、控制全球變暖具有深遠意義[2]。我國雖然在生命周期評價(LCA)方面研究起步較晚,但是國家對于資源環境及可持續性發展等環境問題越來越重視。國務院在“中國制造2025”中提出“加強產品全生命周期綠色管理”,建立“綠色制造標準體系”及“綠色設計與評價得到廣泛應用”[3-4]。因此,基于LCA研究擋土墻的環境影響,針對性控制其能源消耗,并減少其溫室氣體排放尤為重要。

近年來,國外許多學者已對擋土墻進行LCA,并分析其對環境的影響。PONS等[5]411、ZASTROW等[6]1038分析不同類型擋土墻對環境的影響,結果表明石籠墻與磚石墻對環境的影響更小。FRISCHKNECHT等[7]對比分析重力式擋土墻與土工格柵加筋土擋墻環境影響,結果表明土工格柵加筋土擋墻具有明顯環境優勢。DAMIANS等[8]、DJADOUNI等[9]對比分析了不同擋土墻的能源消耗、溫室氣體排放及環境影響。

我國關于擋土墻的相關研究,主要針對其力學特性。李麗華等[10-11]對基于數值建模及大型室內試驗,研究擋土墻力學性能。LCA相關研究開展較晚,在土木工程領域的應用主要集中在路橋及房建領域。李肖燕[12]對比分析了水泥路面與瀝青路面的能耗及污染物排放。劉淑芬[13]分析與總結了高速鐵路和高速公路基礎建設階段能源消耗及環境排放特征。鄭曉云等[14]構建裝配式建筑LCA模型,并計算某裝配式建筑碳排放總量。秦驁等[15]計算某地鐵站全生命周期碳排放總量,并分析其碳排放特征及規律。

目前,國外已有對擋土墻LCA的研究,而國內土木工程領域的LCA主要集中于路橋與房建領域,對擋土墻LCA研究較少,適用于我國擋土墻LCA體系仍有待完善。而LCA存在極強的地域局限性,這導致國外的研究成果不能完全適用我國?；贚CA方法,選取3種常見擋土墻類型,分別為重力式擋土墻、懸臂式擋土墻及加筋土擋墻,對比分析其生命周期全過程能源消耗及溫室氣體排放,并分析墻高對擋土墻的環境影響,確定不同擋土墻對環境影響的最佳墻高,從而為綠色建筑發展提供理論支持。

1 研究方法與數據來源

本研究采用中國科學院生態環境研究中心AGP模型,背景數據來自中國生命周期數據庫(CLCD)和Ecoinvent-Public 2.2.0。擋土墻全生命周期過程消耗大量建筑材料及不可再生資源,同時排放大量溫室氣體、粉塵和建筑垃圾,對能源消耗、溫室效應和水體污染等環境問題產生一定的影響,針對以上環境問題選取8種環境影響類別作為特征化指標對擋土墻環境影響進行分析評價,特征化指標如下:中國資源消耗潛值(CADP)用于表示不可再生能源消耗情況;全球變暖潛能(GWP)用于表示溫室效應對全球變暖的貢獻;酸化潛能(AP)用于表示酸性氣體對酸化的貢獻;富營養化潛能(EP)用于表示氮磷等營養物質對富營養化的貢獻;可吸入無機物(RI)用于表示可吸入無機物造成的人體損害;固體廢物量(WS)用于表示產生的固體廢物量;淡水消耗量(WU)和化學需氧量(COD)分別用于表示用水量及對水體的污染情況。上述環境影響類型包括了中國面臨的大部分環境熱點問題。

1.1 目標與范圍的定義

擋土墻的生命周期主要分為5個階段,分別為原材料生產階段、運輸階段、施工階段、維護階段和拆除回收階段。

擋土墻穩定性主要包括抗傾覆穩定性、抗滑移穩定性和地基承載力穩定性,部分學者引入可靠度分析擋土墻穩定性。杜永峰等[16]建立重力式擋土墻結構抗傾覆穩定性和抗滑移穩定性的功能函數,施小平[17]分析影響懸臂式擋土墻穩定性的因素,結果表明擋土墻可靠度主要與填料內摩擦角、擋土墻背摩擦角、擋土墻基地摩擦系數和填土重度有關。周智海等[18]、李純玉[19]、尹作華[20]和任波等[21]對影響擋土墻穩定性的相關性因素進行敏感性分析,結果表明填料的內摩擦角與黏聚力敏感性最高,對擋土墻穩定性影響最大。本研究根據有關設計規范規定,經承載能力極限狀態最不利荷載效應組合驗算,按抗震設防烈度為7度,基本加速度為0.1 g進行設計,取填料內摩擦角為30°,基底摩擦系數為0.30,均布荷載為10～20 kPa。假定擋土墻填料物理性質一致,以保證擋土墻穩定性的一致性。

隨著擋土墻高度的增加,其所消耗的資源與材料也逐漸增大,使其抵抗更大的土壓力。而ZASTROW等[6]1039研究表明,不同的容許地面壓力對擋土墻整體的影響很小。因此,本研究選取1 m標準截面擋土墻為功能單位。

1.2 清單分析

加筋土擋墻設計依照《水利水電工程土工合成材料應用技術規范》(SL/T 225—98),采用容許應力法,對加筋土擋墻進行筋材強度驗算,確定其加筋間距與加筋長度。重力式擋土墻及懸臂式擋土墻設計基于《建筑地基基礎設計規范》(GB 50007—2011)、《建筑結構荷載規范》(GB 50009—2012)等標準規范,參照國家建筑設計標準圖集《擋土墻(重力式、衡重式、懸臂式)》進行設計。本研究所用混凝土強度等級為C20,其各材料質量比為水泥∶水∶砂子∶碎石=0.47∶1.00∶1.34∶3.13。所有材料均由18 t重型柴油貨車通過公路運輸到施工現場,運輸階段主要考慮運輸工具的污染物排放、運輸工具消耗能源和資源隨之產生的污染物排放。其中,運輸工具的污染物排放主要與運輸量有關,貨車運輸指標計算公式見式(1):

T=∑Mi×Di

(1)

式中:T為貨車運輸指標,t·km;Mi為i材料使用量,t;Di為i材料運輸距離,km。

建筑維護階段考慮混凝土碳化對擋土墻的環境影響。雖然混凝土的碳化會對結構產生不利影響,但是通過吸收空氣中的CO2,混凝土對CO2起到固定作用,對環境的影響是有利的[22-25]。

根據菲克第一定律得出混凝土生命周期內CO2碳化公式[26],見式(2):

(2)

拆除回收階段參考文獻[26]研究內容,認為建筑拆除回收階段的排放量占建筑施工階段10%。3種擋土墻清單分析如表1至表3所示。

表1 加筋土擋墻清單分析Table 1 Inventory analysis of reinforced retaining wall

表2 懸臂式擋土墻清單分析Table 2 Inventory analysis of cantilever retaining wall

表3 重力式擋土墻清單分析Table 3 Inventory analysis of gravity retaining wall

2 結果與討論

2.1 歸一化結果

以3種擋土墻各特征化指標最大值為基準,以百分比形式對3種擋土墻特征化指標進行對比分析,并分析各清單物質對特征化指標的貢獻率。擋土墻高度為6 m時,3種擋土墻歸一化后特征化指標如圖1所示,3種擋土墻各清單物質對各特征化指標貢獻率如圖2所示。

圖1 特征化指標對比Fig.1 Comparison chart of characteristic index

重力式擋土墻GWP、AP、EP、RI、WU、WS和COD最大,說明重力式擋土墻對環境的影響在全球變暖、酸化、富營養化等方面較大;懸臂式擋土墻CADP最大,說明其在生命周期過程中消耗資源量最大。懸臂式擋土墻與加筋土擋墻的GWP和AP較接近,而重力式擋土墻遠大于前兩者,其相較于懸臂式擋土墻與加筋土擋墻,GWP分別增加53.6、48.4百分點,AP分別增加41.0、36.7百分點。加筋土擋墻EP、RI、WU和COD大于懸臂式擋土墻,且差距較大,相較于加筋土擋墻,懸臂式擋土墻的EP、RI、WU和COD分別減少15.6、43.6、26.9、18.5百分點。3種擋土墻WS差異較小,重力式擋土墻分別為懸臂式擋土墻、加筋土擋墻的109.1%、113.0%。

圖2 各清單物質對特征化指標貢獻率Fig.2 The contribution rate of each listed substance to characteristic index

表4 特征化指標權重因子Table 4 Weight factor of characteristic index

表5 各清單物質加權綜合指標Table 5 The weighted comprehensive index of each listed substance

2.2 特征化指標

本研究權重因子采用層次分析法(AHP)進行分析,各特征化指標權重因子如表4所示。由此得到各清單物質加權綜合指標見表5,各清單物質對加權綜合指標貢獻率見圖3。

由計算可得,當墻高為6 m時,重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、加筋土擋墻加權綜合指標分別為6.03×10-9、5.57×10-9、4.49×10-9。重力式擋土墻加權綜合指標最大,其次為懸臂式擋土墻,加筋土擋墻最小。說明重力式擋土墻對環境造成的總體影響最大,加筋土擋墻對環境影響最小,為3種擋土墻中最環保的方案。

圖3 各清單物質對擋土墻加權綜合指標貢獻率Fig.3 The contribution rate of each listed substance to the weighted comprehensive index of retaining wall

原材料生產階段為3種擋土墻生命周期環境影響的主要來源,分別為重力式擋土墻、加筋土擋墻、懸臂式擋土墻加權綜合指標的74%、78%、85%;在原材料生產階段,對重力式擋土墻加權綜合指標影響較大的清單物質為砂、混凝土碎石和混凝土水泥,貢獻率分別為29%、28%和13%;對加筋土擋墻影響較大的為砂、碎石、混凝土碎石和格賓網,貢獻率分別為39%、17%、9%和6%,對懸臂式擋土墻影響較大的為鋼筋、砂和混凝土碎石,貢獻率分別為40%、30%和10%。

砂與碎石是我國生產能力和消費量最大的礦產資源,在開采過程中,大部分人工砂石料系統采用爆破開采巖石,過程中伴有大量粉塵及少量CO、NO2和SO2等氣體產生;砂石生產過程需各種大型機械進行破碎、篩分及輸送,消耗大量電力及燃料,且燃料燃燒產生大量CO2,對GWP、AP影響較大。

混凝土主要材料為水泥,其熟料煅燒過程需對石灰石進行煅燒分解,產生大量CO2;且熟料煅燒以煤為燃料,燃燒過程中會釋放大量SO2、NOx、CO2等污染氣體,對AP、EP和GWP影響較大[27-29]。少熟料膠凝材料的推廣與應用能有效控制水泥碳排放量與使用量,并結合優化擋土墻前期設計,強化其建設施工過程的工程管理,促使水泥熟料用量下降,從而達到節能減排的目的。

由圖1、圖2可得,重力式擋土墻GWP、AP和EP遠大于其他兩種擋土墻,且砂、混凝土碎石和混凝土水泥對擋土墻GWP、AP和EP貢獻率較高。重力式擋土墻依靠自身重力來維持其在土壓力作用下的穩定性,建設過程中主要采用大量混凝土進行整體澆筑,其混凝土用量遠大于其他兩種擋土墻,而混凝土主要材料為砂、碎石與水泥;砂與碎石對GWP貢獻較大,水泥對AP、EP影響較大,所以重力式擋土墻GWP、AP和EP遠大于其他兩種擋土墻。

懸臂式擋土墻采用鋼筋混凝土結構,主要靠底板上的填土重量來維持擋土墻的穩定性。鋼筋生產過程需要消耗大量金屬物質及資源,對CADP貢獻較大,所以懸臂式擋土墻CADP最大。由表4可得,CADP權重因子最大,說明其對加權綜合指標影響最大,而懸臂式擋土墻CADP最大,即使其他7類指標均遠小于重力式擋土墻,但懸臂式擋土墻加權綜合指標卻為重力式擋土墻的92.3%。PONS等[5]416研究表明,對鋼筋進行回收利用可有效減少擋土墻9.6%～12.4% CO2排放量。張建良等[30]研究表明,可以通過提高廢鋼利用率,減少中國鋼鐵工業污染物排放量。

運輸過程分別占重力式、加筋土、懸臂式擋土墻加權綜合指標的24%、20%和13%。運輸階段污染物排放過程主要包括運輸工具的污染物排放、運輸工具消耗能源和資源隨之產生的污染物排放。本研究采用柴油貨車為運輸工具,其尾氣中含有大量SOx、NOx,對AP、EP影響較大。車輛燃料的燃燒過程會排放大量顆粒物質和煙塵,對RI、COD影響較大。因此,減少擋土墻運輸階段對汽油、柴油等不可再生資源的消耗,是降低擋土墻環境影響的重點。在交通產生的直接排放方面,可通過降低對公路貨運的依賴,使用鐵路等電氣化程度較高的運輸方式,達到減少碳排放的目的。

綜上所述,對擋土墻加權綜合指標貢獻最大的為擋土墻原材料生產階段,與文獻[5]、 [31]、[32]的研究結果一致。對加權綜合指標影響最大的清單物質主要為砂、碎石、混凝土碎石、混凝土水泥、鋼筋及貨車運輸,針對其生產工藝進行改進,或減少其用量,是控制擋土墻生命周期環境影響的有效途徑。

2.3 敏感性分析

敏感性分析用于表示清單數據對各指標的靈敏度。通過敏感性分析,得出產品生命周期中對環境影響最大的過程,根據此結果對產品進行改進,其計算公式見式(3):

(3)

式中:Sij為i材料對j指標的敏感性;ΔIi為i材料清單數據的變化量;Ii為i材料的清單數據總量;ΔTj為由于i材料的清單數據變化所引起的j指標的變化量;Tj為j指標數值。

對擋土墻加權綜合指標貢獻較大的階段為原材料生產階段及運輸階段,因此上述階段中的關鍵參數對加權綜合指標結果影響較大。根據圖3,選取對擋土墻貢獻率較大的清單物質分別進行敏感性分析,結果如圖4至圖6所示。

圖4 重力式擋土墻敏感性分析Fig.4 Sensitivity analysis of gravity retaining wall

圖5 懸臂式擋土墻敏感性分析Fig.5 Sensitivity analysis of cantilever retaining wal

圖6 加筋土擋墻敏感性分析Fig.6 Sensitivity analysis of reinforced retaining wall

由圖4至圖6可知,加權綜合指標結果與上述清單物質變化比呈線性關系,可根據其斜率判斷各清單物質對加權綜合指標的敏感性大小。重力式擋土墻敏感性較大的清單物質依次為砂、混凝土碎石、貨車運輸及混凝土水泥。懸臂式擋土墻敏感性較大的清單物質依次為鋼筋、砂、貨車運輸及混凝土碎石。加筋土擋墻敏感性較大的清單物質依次為砂、貨車運輸、碎石及混凝土水泥。砂、鋼筋、砂分別對重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、加筋土擋墻加權綜合指標結果的影響幅度最大,針對其采取相關節能減排措施,是減少擋土墻生命周期環境影響的主要途徑。

2.4 墻高對擋土墻的環境影響

擋土墻的加權綜合指標隨墻高變化見圖7。3種擋土墻加權綜合指標均呈上升趨勢,且重力式擋土墻與懸臂式擋土墻趨勢相近。當墻高小于4 m時,加筋土擋墻加權綜合指標最大;當墻高大于4 m時,重力式擋土墻與懸臂式擋土墻加權綜合指標均大于加筋土擋墻,此時,加筋土擋墻對環境影響最小。隨著墻高的增大,重力式擋土墻、加筋土擋墻、懸臂式擋土墻在墻高從2 m增至6 m時加權綜合指標增長率分別為462%、199%、390%;重力式擋土墻加權綜合指標增長率最大,對環境影響增量最大。

圖7 加權綜合指標隨墻高變化Fig.7 Variation of weighted comprehensive index with wall height

2.4.1 擬合曲線

由圖7可知,隨著墻高的增大,擋土墻的加權綜合指標逐漸增大。擋土墻的加權綜合指標與其墻高有良好的相關性。對其進行回歸分析,得出擋土墻加權綜合指標與墻高之間的關系式,擬合曲線見圖8。

加筋土擋墻加權綜合指標與墻高之間存在顯著正相關關系,其擬合曲線呈線性關系增長,說明隨墻高的增大,加筋土擋墻加權綜合指標增長量較為穩定。重力式擋土墻與懸臂式擋土墻加權綜合指標擬合曲線呈冪函數形式增長,且其指數均大于1,隨著墻高的增大,兩種擋土墻的加權綜合指標增長量越來越大。重力式擋土墻冪指數(1.67)大于懸臂式擋土墻冪指數(1.54),說明其加權綜合指標增長速度大于懸臂式擋土墻。

注:W為加權綜合指標,h為墻高。圖8 擋土墻擬合曲線Fig.8 Fitting curve of retaining wall

2.4.2 貢獻率比值

為突出各清單物質貢獻率受墻高的影響,使用貢獻率比值描述墻高從1 m到6 m各清單物質貢獻率變化,其值越接近1,表示墻高對其貢獻率影響越小。其計算公式見式(4):

(4)

式中:ηctr為各清單物質貢獻率比值;ηm為墻高為m時清單物質對加權綜合指標貢獻率;η2為基準墻高時清單物質貢獻率。

加筋土擋墻4種清單物質貢獻率比值隨墻高變化如圖9所示。隨墻高增大,貨車運輸貢獻率比值呈上升趨勢,混凝土水泥貢獻率比值呈下降趨勢,碎石與砂貢獻率比值接近,且趨勢平穩。貨車運輸增長趨勢最明顯,其貢獻率比值大于1,當墻高為6 m時,其值為4.87,說明墻高對貨車運輸貢獻率影響較大,墻高與加筋土擋墻貨車運輸貢獻率存在正相關關系?；炷了嘭暙I率比值呈下降趨勢,且其值小于1;當墻高為6 m時,其值為0.36,變化幅度小于貨車運輸,說明墻高與加筋土擋墻混凝土水泥貢獻率存在負相關關系,且墻高對混凝土水泥貢獻率影響小于貨車運輸。隨墻高增大,砂與碎石貢獻率比值趨勢平穩,且其值大于1,墻高6 m時為1.15,說明墻高的增大對砂與碎石貢獻率影響較小,但兩者之間仍存在正相關關系。

圖9 加筋土擋墻貢獻率比值Fig.9 Contribution ratio of reinforced retaining wall

懸臂式擋土墻4種清單物質貢獻率比值隨墻高變化如圖10所示。隨墻高增大,貨車運輸、鋼筋貢獻率比值呈上升趨勢,且兩者貢獻率比值均大于1;砂、混凝土碎石貢獻率比值呈下降趨勢,且其貢獻率比值均小于1。貨車運輸貢獻率比值變化率最大,當墻高為6 m時,其值約為初始值的2倍,為2.11。貨車運輸貢獻率與墻高之間存在正相關關系,且墻高變化對貨車運輸貢獻率影響最大。鋼筋貢獻率比值變化率次之,當墻高為6 m時,其值為1.51;說明鋼筋貢獻率與墻高之間存在正相關關系,且墻高對鋼筋貢獻率的影響小于貨車運輸?；炷了槭暙I率比值變化趨勢較為平緩,與1較為接近,且小于1,說明混凝土碎石貢獻率受墻高影響最小,但二者之間仍存在負相關關系。砂貢獻率比值變化率大于混凝土碎石,當墻高為6 m時,其值為0.61;說明砂貢獻率與墻高之間存在負相關關系,且墻高對砂貢獻率影響大于混凝土碎石,小于鋼筋。

圖10 懸臂式擋土墻貢獻率比值Fig.10 Contribution ratio of cantilever retaining wall

重力式擋土墻4種清單物質貢獻率比值隨墻高變化如圖11所示。隨墻高增大,貨車運輸、混凝土水泥和混凝土碎石貢獻率比值均呈上升趨勢,且其貢獻率比值均大于1,說明其貢獻率與墻高存在正相關關系,且貨車運輸貢獻率受墻高變化影響最大;砂貢獻率比值呈下降趨勢,且其值小于1,說明砂貢獻率與墻高存在負相關關系,且砂貢獻率比值與1差值大于混凝土碎石和混凝土水泥,所以砂貢獻率受墻高影響大于混凝土碎石及混凝土水泥,且小于貨車運輸。

圖11 重力式擋土墻貢獻率比值Fig.11 Contribution ratio of gravity retaining wall

3 結 論

(1) 當墻高為6 m時,重力式擋土墻加權綜合指標最大,其次為懸臂式擋土墻,再次為加筋土擋墻;說明加筋土擋墻對環境影響最小,為3種擋土墻中最環保的方案。

(2) 原材料生產階段對擋土墻加權綜合指標貢獻率最大,其次為運輸階段。砂對重力式擋土墻、加筋土擋墻的加權綜合指標敏感性最大,鋼筋對懸臂式擋土墻的加權綜合指標敏感性最大,針對上述清單物質采取相關節能減排措施,是減少擋土墻對環境影響的主要途徑。

(3) 隨墻高增大,3種擋土墻加權綜合指標均呈上升趨勢,當墻高小于4 m時,加筋土擋墻加權綜合指標最大;當墻高大于4 m時,選擇加筋土擋墻最優。

(4) 3種擋土墻加權綜合指標與墻高之間存在顯著正相關關系。加筋土擋墻擬合曲線呈線性關系,重力式擋土墻與懸臂式擋土墻擬合曲線呈冪函數形式,說明隨著墻高的增大,加筋土擋墻對環境的影響增量較小,具有環境優勢。