混凝土的生態(tài)性能比較研究

胡燁璐HU Ye-lu；童利軍TONG Li-jun；賀成龍HE Cheng-long

（①嘉興學(xué)院建筑工程學(xué)院，嘉興 314001；②浙江華洲國(guó)際設(shè)計(jì)有限公司嘉興分公司，嘉興 314001）

（①Co11ege of Civi1 Engineering&Architecture，Jiaxing University，Jiaxing 314001，China；②Jiaxing Branch of Zhejiang Huazhou Internationa1 Design Co.，Ltd.，Jiaxing 314001，China）

0 引言

目前的研究，主要集中在混凝土的制備、力學(xué)性能和熱工性能物理指標(biāo)的研究與比較，對(duì)混凝土的生態(tài)性能的研究較少。能值分析理論為量化評(píng)價(jià)生態(tài)系統(tǒng)產(chǎn)品及服務(wù)的價(jià)值提供了一個(gè)能量學(xué)的基礎(chǔ)。它將生態(tài)經(jīng)濟(jì)系統(tǒng)中不同種類、不同級(jí)別、不可比較的能量轉(zhuǎn)換成同一標(biāo)準(zhǔn)--能值，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)社會(huì)—經(jīng)濟(jì)—生態(tài)復(fù)合系統(tǒng)的統(tǒng)一評(píng)價(jià)。為此，文章引入能值分析理論，以實(shí)現(xiàn)對(duì)混凝土的生態(tài)性能評(píng)價(jià)。

1 能值分析理論

能值（Emergy，英文拼寫帶一個(gè)字母“M”），不同于能量（Energy），是一個(gè)新的科學(xué)概念和度量標(biāo)準(zhǔn)，是指某種流動(dòng)或貯存的能量中所包含的另一種能量的數(shù)量。地球上的能量都直接或間接來源于太陽(yáng)能,故常以太陽(yáng)能為基準(zhǔn)來衡量其它各種能量的能值。任何資源、產(chǎn)品或勞務(wù)形成所需的太陽(yáng)能之量，就是其太陽(yáng)能值（so1ar emergy），其單位是太陽(yáng)能焦耳（so1ar emergy jou1e，sej）。能值轉(zhuǎn)換率是指提供單位產(chǎn)出所需要投入的能值[1]，其基本單位為太陽(yáng)能值焦耳每焦耳（sej/J）。如形成1J木材的能量需要34900太陽(yáng)能焦耳，那么木材的能值轉(zhuǎn)換率就是34900 sej/J。能值（E）等于能量（B）與能值轉(zhuǎn)換率（τ）的乘積[2]：

應(yīng)用能值可定量分析資源環(huán)境與經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的真實(shí)價(jià)值以及它們之間的關(guān)系，有助于經(jīng)濟(jì)發(fā)展中對(duì)自然資源的科學(xué)評(píng)價(jià)與合理使用。能值可以衡量和比較生態(tài)系統(tǒng)中不同等級(jí)能量的真實(shí)價(jià)值和貢獻(xiàn)，被認(rèn)為是聯(lián)結(jié)生態(tài)學(xué)和經(jīng)濟(jì)學(xué)的橋梁，具有重大科學(xué)意義和實(shí)踐意義。在理論上，能值分析為資源的生態(tài)性能開辟了定量分析研究的新方法。

2 生態(tài)性能評(píng)價(jià)指標(biāo)

通過能值分析，可得出相應(yīng)的能值指標(biāo)，以定量分析產(chǎn)品系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能。如，可用環(huán)境負(fù)載率（Environment Load Ratio，ELR）來評(píng)價(jià)產(chǎn)品系統(tǒng)的環(huán)境壓力[3]；用能值投資率（Emergy Invest Ratio，EIR）來單位產(chǎn)品的能值投入。

環(huán)境負(fù)載率越高，表明產(chǎn)品系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的沖擊越大。環(huán)境負(fù)載率為投入系統(tǒng)不可更新能源的能值總量（EmN,sej）與可更新能源投入能值總量（EmR,sej）之比：

能值投資率越大，說明生產(chǎn)單位價(jià)值的產(chǎn)品需要投入的能值越多。能值投資率等于生產(chǎn)單位產(chǎn)品的能值總投入與產(chǎn)品的市場(chǎng)價(jià)格（P，yuan）與之比：

3 計(jì)算與結(jié)果

本研究選用某建筑保溫材料有限公司生產(chǎn)的TY250型發(fā)泡混凝土板和C25、C30、C35三種不同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土作為研究對(duì)象。TY250型泡沫混凝土板以42.5的R型普通硅酸鹽水泥，Ⅰ級(jí)粉煤灰和主要成分為纖維、穩(wěn)泡劑、硬脂酸鈣、雙氧水的發(fā)泡劑為主要材料，經(jīng)發(fā)泡、成型、養(yǎng)護(hù)、切割等工藝制成。普通混凝土選用42.5的R型普通硅酸鹽水泥、碎石、中砂加水在標(biāo)準(zhǔn)條件下制作養(yǎng)護(hù)成型。表1、表2分別是泡沫混凝土和不同等級(jí)的普通混凝土的材料組成。發(fā)泡劑中的纖維市場(chǎng)價(jià)格為135元/kg，穩(wěn)泡劑為20元/kg，硬脂酸鈣為9.5元/kg，雙氧水為1.6元/kg。目前的泡沫混凝土的市場(chǎng)價(jià)格為630元/m3、C25普通混凝土為 399元/m3、C30為 414元/m3、C35為 441元/m3。根據(jù)表1，生產(chǎn)1立方米泡沫混凝土需要花費(fèi)140元的發(fā)泡劑。生產(chǎn)1立方米泡沫混凝土和普通混凝土的人工及其他成本分別為123元和78元。

表1 每立方泡沫混凝土的材料組成 （單位：kg）

表2 每立方不同強(qiáng)度等級(jí)普通混凝土的材料組成（單位：kg）

本研究中涉及的工業(yè)用水、水泥、粉煤灰、碎石、中砂、發(fā)泡劑、貨幣等的能值轉(zhuǎn)換率見表3。

根據(jù)式（1），生產(chǎn)1立方米TY250型泡沫混凝土需要投入的能值為 5.65×1014sej；生產(chǎn) 1 立方米 C25、C30、C35 普通混凝土需要投入的能值分別為1.07×1015sej、1.12×1015sej和 1.17×1015sej，見表 4。

泡沫混凝土的環(huán)境負(fù)載率低于普通混凝土的環(huán)境負(fù)載率，隨著普通混凝土的強(qiáng)度的提高，其環(huán)境負(fù)載率也呈上升趨勢(shì)（圖1）。泡沫混凝土的能值投資率低于普通混凝土的能值投資率，普通混凝土的能值投資率不隨其的強(qiáng)度的提高而增加（圖2）。

表3 主要材料及貨幣的能值轉(zhuǎn)換率

表4 生產(chǎn)1立方不同混凝土的能值投入（單位：sej）

圖1 不同混凝土的環(huán)境負(fù)載率

圖2 不同混凝土的能值投資率

4 結(jié)論

能值分析理論可以定量分析產(chǎn)品的環(huán)境影響。泡沫混凝土的環(huán)境負(fù)載率和能值投資率均低于普通混凝土的環(huán)境負(fù)載率和能值投資率，這說明生產(chǎn)單位產(chǎn)量的泡沫混凝土對(duì)環(huán)境的影響小于普通混凝土。對(duì)于非承重的板筑墻體，采用泡沫混凝土替代普通混凝土，對(duì)減小環(huán)境的影響有重要作用。在滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的情況下，低強(qiáng)度的普通混凝土比高強(qiáng)度的混凝土具有更好的環(huán)境效率。

[1]Odum H T.Se1f-organization,Transformity and Information[J].Science,1988,242:1132-1139.

[2]Odum H T,Peterson N.Simu1ation and Eva1uation with Energy Systems B1ocks[J].Eco1ogica1 Mode11ing,1996,93:155-173.

[3]賀成龍.水電工程的能值足跡模型研究及其應(yīng)用[D].南京:河海大學(xué)博士論文,2013.

[4]陳丹,陳菁,關(guān)松等.基于能值理論的區(qū)域水資源復(fù)合系統(tǒng)生態(tài)經(jīng)濟(jì)評(píng)價(jià)[J].水利學(xué)報(bào),2008,39(12):1384-1389.