基于價(jià)值工程原理的混凝土物化階段碳排放評(píng)價(jià)

汪振雙,寧 欣,趙一健

(東北財(cái)經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，大連 116025)

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基于價(jià)值工程原理的混凝土物化階段碳排放評(píng)價(jià)

汪振雙,寧 欣,趙一健

(東北財(cái)經(jīng)大學(xué)投資工程管理學(xué)院，大連 116025)

基于全生命周期評(píng)價(jià)理論和價(jià)值工程原理，以混凝土材料多次循環(huán)使用為例，對(duì)混凝土強(qiáng)度和物化階段碳排放進(jìn)行研究。研究結(jié)果表明，混凝土材料的立方體抗壓強(qiáng)度隨著混凝土循環(huán)使用次數(shù)的增加而降低；在混凝土物化階段過程中，混凝土各組分原材料在生產(chǎn)運(yùn)輸過程中的碳排放量最大，混凝土運(yùn)輸和澆筑過程中碳排放所占比例較??；混凝土中水泥用量越大，強(qiáng)度等級(jí)越高，混凝土物化階段的碳排放量就越大；混凝土的多次循環(huán)使用可以降低混凝土的碳排放，提高混凝土的價(jià)值系數(shù)。

價(jià)值工程； 碳足跡； 強(qiáng)度； 碳排放

1 引 言

近些年來，碳減排問題已成為全球關(guān)注的焦點(diǎn)。為貫徹落實(shí)十八大總體布局提出的“生態(tài)文明”建設(shè)，實(shí)現(xiàn)巴黎氣候峰會(huì)上我國2030年單位GDPCO2的排放量下降60%～65%目標(biāo)，其中建筑行業(yè)減排潛力大，是最值得關(guān)注的領(lǐng)域之一[1]。據(jù)IPCC研究測(cè)算[2]，建筑業(yè)消耗了世界40%的能源，CO2的排放量占世界CO2的排放量的36%。如何減少和降低建筑碳排放量，提升建筑碳排放集成管理效率，已經(jīng)成為我國能否兌現(xiàn)承諾的關(guān)鍵[3]。我國建筑材料碳排放量占建筑全生命周期碳排放量的10%左右，建筑材料的碳排放是建筑全生命周期碳排放的主要來源之一[4]?；炷潦悄壳敖ㄖI(yè)用量最大和用途最為廣泛的建筑材料，對(duì)環(huán)境影響非常顯著。我國每年混凝土的消耗量就約為13～14億m3，約占世界總消耗量的50%左右[5]?；炷敛牧系拇罅肯?，伴隨著巨量的建筑垃圾，我國每年產(chǎn)生的建筑垃圾約為4000萬噸[6]。面對(duì)以上諸多問題和挑戰(zhàn)，混凝土材料行業(yè)需走一條可持續(xù)發(fā)展的道路。目前，混凝土材料的碳排放評(píng)價(jià)大都集中在混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放，缺乏混凝土材料多次循環(huán)使用物化階段碳排放的評(píng)價(jià)研究。因此，有必要對(duì)混凝土材料循環(huán)使用的碳排放進(jìn)行系統(tǒng)的量化評(píng)價(jià)。本文基于全生命周期評(píng)價(jià)和價(jià)值工程的基本原理，應(yīng)用碳足跡評(píng)價(jià)方法，對(duì)C30和C15強(qiáng)度等級(jí)混凝土多次循環(huán)使用物化階段的碳排放進(jìn)行評(píng)價(jià)研究，以期客觀鑒別混凝土物化階段碳排放的主要影響因素，推進(jìn)我國混凝土行業(yè)低碳化發(fā)展，以期為混凝土行業(yè)的節(jié)能減排提供參考。

2 混凝土物化階段碳排放測(cè)算方法

混凝土材料的物化階段的碳足跡指的是混凝土材料在物化階段直接或間接產(chǎn)生累積的溫室氣體排放總量，用CO2質(zhì)量當(dāng)量來表示。本文基于產(chǎn)品的全生命周期評(píng)價(jià)理論，結(jié)合混凝土材料物化階段的碳足跡，對(duì)混凝土材料多次循環(huán)的碳排放進(jìn)行研究評(píng)價(jià)。

2.1 系統(tǒng)邊界

圖1 混凝土碳排放核算邊界Fig.1 Accounting boundaries of concrete carbon emissions

混凝土作為大宗的人造復(fù)合材料，物化階段碳排放相對(duì)復(fù)雜，必須考慮組成材料在生產(chǎn)、制造、運(yùn)輸和施工過程中消耗能源而產(chǎn)生的直接碳排放?；谔甲阚E原理，結(jié)合建筑材料全生命周期評(píng)價(jià)理論，將混凝土材料物化階段劃分為生產(chǎn)、運(yùn)輸和施工階段，考慮混凝土物化階段可能產(chǎn)生的碳排放。確定混凝土材料物化階段碳排放系統(tǒng)邊界和要素，如圖1所示。

(1)混凝土組成原材料中含的碳排放

現(xiàn)代混凝土材料是一種多組分的復(fù)合材料，不同組分的原材料中含的碳排放是指不同組分原材料在生產(chǎn)過程中的碳排放，如水泥、砂子、碎石和摻合料等?；炷林胁煌M分原材料引入的碳排放測(cè)算，應(yīng)根據(jù)混凝土配合比中各種組分原材料的用量進(jìn)行確定。

(2)混凝土組成原材料運(yùn)輸過程排放的碳排放

原材料組成原材料運(yùn)輸過程中的碳排放指的是混凝土生產(chǎn)原材料在運(yùn)輸過程中燃料的碳排放，如水泥、砂子、碎石和摻合料等原材料從產(chǎn)地運(yùn)輸至商品混凝土攪拌站，或混凝土從商品混凝土攪拌站運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)的消耗的汽油和柴油等燃料的碳排放。

(3)混凝土生產(chǎn)過程的碳排放

混凝土在商品攪拌站在拌合攪拌過程中的碳排放，如攪拌機(jī)在攪拌過程中消耗的電能產(chǎn)生的碳排放。

(4)混凝土施工階段的碳排放

混凝土施工過程中因消耗能源和使用機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的碳排放，如混凝土澆筑過程中所用設(shè)備消耗的汽油，柴油等燃料和電能的碳排放。

2.2 碳足跡計(jì)算方法

混凝土材料的物化階段值得是指混凝土各組分材料的生產(chǎn)運(yùn)輸，混凝土生產(chǎn)運(yùn)輸和澆筑所經(jīng)歷的過程。 碳足跡是用于定量分析材料或產(chǎn)品全生命周期內(nèi)溫室氣體的排放量的環(huán)境影響指標(biāo)。目前，碳足跡研究方法主要基于全生命周期評(píng)價(jià)理論，在全生命周期清單的基礎(chǔ)上，計(jì)算材料和產(chǎn)品全生命周期各階段的碳排放[7-8]。將碳足跡法引入到混凝土物化階段，計(jì)算混凝土材料的碳排放，計(jì)算公式如下：

(1)

(2)

式中，C為混凝土物化階段的碳足跡；Pi為混凝土材料物化不同階段的碳排放；Qj為j物質(zhì)或活動(dòng)數(shù)量或強(qiáng)度數(shù)據(jù)；EFj為單位碳排放因子。

表1 混凝土組成材料的碳排放系數(shù)[9]

材料在運(yùn)輸過程中的碳排放計(jì)算公式如下：

Y=E×F×L×N

(3)

式中，E為某種運(yùn)輸方式的單位能耗；F是相應(yīng)燃料的碳排放系數(shù)；N是材料數(shù)量；L是材料的運(yùn)輸距離。

3 混凝土材料物化階段的強(qiáng)度和碳排放

3.1 混凝土的組成材料

混凝土的設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C30和C15，試驗(yàn)所用的材料為P·O32.5普通硅酸鹽水泥，玄武巖碎石，河砂，細(xì)度模數(shù)2.7，級(jí)配合格，聚羧酸類高效減水劑和普通自來水。再生粗集料是C15和C30混凝土經(jīng)6個(gè)月自然養(yǎng)護(hù)加工后得到一次循環(huán)再生粗集料，一次再生混凝土經(jīng)過養(yǎng)護(hù)6個(gè)月加工得到二次循環(huán)再生粗集料，二次再生混凝土經(jīng)過6個(gè)月自然養(yǎng)護(hù)后加工得到三次循環(huán)再生粗集料。

3.2 混凝土配合比

試驗(yàn)設(shè)計(jì)混凝土C30和C15強(qiáng)度等級(jí)混凝土，再生粗集料取代率分別為50%和100%為變量，混凝土的配合比如表2所示。其中，硅酸鹽水泥的運(yùn)距取27.3km，砂子的運(yùn)輸距離為16.5km，碎石的運(yùn)輸距離為53.3km，材料運(yùn)輸過程中均按照采油機(jī)的耗能進(jìn)行計(jì)算。

表2 混凝土的配合比

3.3 混凝土的組成材料

普通混凝土和再生混凝土7d，28d和60d的抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示?？梢钥闯?，C15混凝土28d和60d抗壓強(qiáng)度與7d抗壓強(qiáng)度相比，平均提高了85%和125%，C30混凝土28d和60d抗壓強(qiáng)度與7d抗壓強(qiáng)度相比，平均提高了112%和126%，混凝土的強(qiáng)度隨著齡期的增加而不斷提高。此外，C15和C30混凝土抗壓強(qiáng)度隨著再生循環(huán)次數(shù)和取代率的增加而降低。這是由于再生粗集料的循環(huán)利用次數(shù)越多，在再生粗集料的加工過程中，再生粗集料存在的裂紋和缺陷越多，再生粗集料越接近于獨(dú)立的砂漿塊集料，導(dǎo)致再生混凝土在壓力荷載作用下，使多次循環(huán)利用再生粗集料所形成的多層砂漿界面過渡區(qū)會(huì)更顯薄弱所致。

圖2 C15混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.2 The compressive strength of C15 at different ages

圖3 C30混凝土抗壓強(qiáng)度Fig.3 The compressive strength of C30 at different ages

3.4 混凝土的組成材料

凡是與混凝土材料物化有關(guān)的原材料生產(chǎn)、加工和設(shè)備引起的能耗產(chǎn)生的碳排放都包含在內(nèi)，但為了避免無限的追蹤碳源，施工機(jī)具和設(shè)備在物化過程中的碳排放不計(jì)入核算范圍。混凝土材料的物化階段是指砂、石等原材料的開采、生產(chǎn)、運(yùn)輸、商品混凝土攪拌、運(yùn)輸、施工現(xiàn)場(chǎng)澆筑等所經(jīng)過的全部過程。根據(jù)全生命周期評(píng)價(jià)范圍確定的原則，混凝土材料物化階段碳排放評(píng)價(jià)應(yīng)精簡(jiǎn)，混凝土材料用量很少的組分存在數(shù)據(jù)收集的不確定性問題。研究中外加劑占水泥用量1%左右，用量很小，考慮其用量對(duì)碳排放計(jì)算結(jié)果影響很小，本研究未將其納入進(jìn)行混凝土物化階段碳排放計(jì)算。為了鼓勵(lì)使用再生混凝土，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定再生集料的碳排放為0[10]。普通混凝土和再生循環(huán)使用混凝土物化階段的碳排放測(cè)算結(jié)果如表3～表6所示。

表3 普通混凝土材料物化階段的碳排放

表4 一次再生混凝土材料物化階段的碳排放

表5 二次再生混凝土材料物化階段的碳排放

表6 二次再生混凝土材料物化階段的碳排放

從以上混凝土材料物化階段碳排放的測(cè)算結(jié)果可以看出，在考慮國家再生鼓勵(lì)再生混凝土的使用政策，不同強(qiáng)度等級(jí)的普通混凝土和再生混凝土在混凝土運(yùn)輸和澆筑過程中的碳排放量相同。不同混凝土物化階段的碳排放量的主要區(qū)別在于混凝土各組分材料在生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的碳排放量差異。從混凝土配合比各組分材料的用量可以看出，水泥在混凝土各組分材料中碳排放所占的比例較大。水泥的用量越大，混凝土的碳排放量就越大?？紤]國家現(xiàn)行的節(jié)能減排政策，再生粗集料的用量越大，混凝土的碳排放量就越低。因此，在混凝土物化階段，減少水泥材料的用量是降低混凝土碳排放的有效途徑。對(duì)于混凝土生產(chǎn)所用集料而言，尤其是粗集料在生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸過程中因燃油和電能消耗產(chǎn)生碳排放。再生粗集料在生產(chǎn)過程中消耗的燃油和電能比普通碎石要大，然而考慮可持續(xù)發(fā)展，國家給予優(yōu)惠政策，不考慮其碳排放。對(duì)于集料生產(chǎn)和運(yùn)輸而言，應(yīng)該優(yōu)化其生產(chǎn)工藝，盡可能減少運(yùn)輸距離，降低其在生產(chǎn)、加工和運(yùn)輸過程中的碳排放。

3.5 混凝土的組成材料

基于價(jià)值工程原理，從功能和成本對(duì)混凝土物化階段進(jìn)行評(píng)價(jià)，提升混凝土物化階段的價(jià)值。為了便于分析混凝土的碳排放成本，只考慮了混凝土在物化階段的碳排放量，碳排放量越大混凝土的碳成本就越高。從工程結(jié)構(gòu)角度分析而言，立方體抗壓強(qiáng)度是混凝土材料重要的力學(xué)性能指標(biāo)。研究以混凝土28d立方體抗壓強(qiáng)度為功能指標(biāo)，強(qiáng)度越高數(shù)值越高，混凝土的功能性就越強(qiáng)。因此，在混凝土功能和成本分析基礎(chǔ)上，對(duì)混凝土物化階段的價(jià)值系數(shù)進(jìn)行分析，從而對(duì)混凝土循環(huán)次數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，正指標(biāo)按公式(4)處理，逆指標(biāo)按公式(5)處理[11-12]。

(4)

(5)

考慮到混凝土立方體抗壓強(qiáng)度和物化階段碳排放量的指標(biāo)量綱不同，采用公式(6)對(duì)混凝土強(qiáng)度和物化階段的碳排放指標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。

(6)

式中，yi是各評(píng)價(jià)指標(biāo)歸一化后的數(shù)值；xt為進(jìn)行歸一化處理評(píng)價(jià)指標(biāo)取值，xmin和xmax分別為歸一化處理前同一評(píng)價(jià)指標(biāo)最小值和最大值。

從混凝土價(jià)值系數(shù)計(jì)算結(jié)果中(表7)可以看出，N30混凝土的價(jià)值系數(shù)最大為1，C6混凝土的價(jià)值系數(shù)最小為0.67?；炷羶r(jià)值系數(shù)小于1時(shí)，說明成本所占的比重大于材料功能所占的比重；混凝土價(jià)值系數(shù)大于1時(shí)，成本所占的比重小于材料功能所占的比重；混凝土價(jià)值系數(shù)等于1，說明混凝土的成本和功能所占比重相等。從混凝土價(jià)值系數(shù)的計(jì)算結(jié)果可以看出，混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，水泥用量越大，混凝土的價(jià)值系數(shù)越小。再生混凝土的多次循環(huán)使用可以降低混凝土物化階段的碳排放，提高混凝土的價(jià)值系數(shù)。對(duì)于混凝土材料而言，材料的成本除了要考慮混凝土物化階段的碳排放，還應(yīng)關(guān)注材料物化過程中的其他成本。

表7 混凝土價(jià)值分析

4 結(jié) 論

(1)混凝土材料多次循環(huán)使用具有重要的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境價(jià)值?；炷敛牧系牧⒎襟w抗壓強(qiáng)度隨著混凝土循環(huán)使用次數(shù)的增加而降低；

(2)混凝土材料物化階段的碳排放是全生命周期周期碳排放控制的重點(diǎn)?；炷粮鹘M分材料生產(chǎn)和運(yùn)輸過程中的碳排放在混凝土材料物化階段所占的比例最高，對(duì)混凝土碳排放具有絕對(duì)性的影響；

(3)混凝土的強(qiáng)度等級(jí)越高，水泥用量越大，混凝土的價(jià)值系數(shù)越低?；炷恋亩啻窝h(huán)使用可以降低混凝土的碳排放，提高混凝土的價(jià)值系數(shù)，可為我國再生低碳混凝土的推廣提供參考。

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Carbon Emissions Evaluation on Building Embodied StageBased on Value Engineering

WANG Zhen-shuang,NING Xin,ZHAO Yi-jian

(SchoolofInvestment&ConstructionManagement,DongbeiUniversityofFinanceandEconomics,Dalian116025,China)

Basedonthelifecycleassessmenttheoryandvalueengineering,theresearchinvestigatesonthestrengthandembodiedstagecarbonemissionsofconcretematerialswithdifferentreusecycles.Itcanbeconcludethat,thecubiccompressivestrengthofconcretedecreasedwithreusecyclesincreasing;Thelargestcarbonemissionswasintheprocessofrawmaterialsproduction,andthesmallestcarbonemissionswasintheprocessoftransportationandcastingattheembodiedstage;Concretestrengthgradeincreasedwithcementcontentincreasing,whichincreasedtheconcretecarbonemissionsincreasingattheembodiedstage;Concretecarbonemissionsreducedwithconcretereusecyclesincreasing,andvaluecoefficientincreasing.

valueengineering;carbonfootprint;strength;carbonemission

國家自然科學(xué)基金(71501029，71501052)；第八批博士后特別資助項(xiàng)目(2015T80259)；遼寧省教育廳基金一般項(xiàng)目(W2015130)；東北財(cái)經(jīng)大學(xué)青年科技人才培育項(xiàng)目(DUFE2015Q15)；2014東北財(cái)經(jīng)大學(xué)學(xué)科建設(shè)支持計(jì)劃(新興學(xué)科方向類XKX-201405)；2016年國家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃(201610173047)

汪振雙(1982-)，男，博士，講師，碩導(dǎo).主要從事建筑材料的教學(xué)與科研方面的研究.

TU

A

1001-1625(2016)12-4308-06