再生混凝土生命周期CO2排放評價

肖建莊　 黎　驁　 丁　陶

(同濟大學建筑工程系, 上海 200092)(同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 200092)

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再生混凝土生命周期CO2排放評價

肖建莊 黎驁 丁陶

(同濟大學建筑工程系, 上海 200092)(同濟大學先進土木工程材料教育部重點實驗室, 上海 200092)

為評價再生混凝土CO2的排放量,構建了再生混凝土CO2排放量化模型.運用生命周期評價技術,對原材料生產、運輸、再生混凝土制備、施工建造、拆除廢棄等階段建立了CO2排放量的計算方法,并計入碳化作用影響,提出了再生混凝土碳化-吸收模型.通過收集各階段基礎數(shù)據(jù),得到了1 m3的C30再生混凝土CO2排放量.最后,將排放量轉化為環(huán)境成本和等量吸收所需的綠化面積或樹木棵數(shù),進行環(huán)境影響評價.結果表明,1 m3C30的再生混凝土生命周期CO2排放量隨再生粗骨料取代率的提高而降低,當取代率為30%,50%,70%,100%時,CO2排放量分別為314.2,310.9,307.6,301.4 kg;CO2排放量隨取代率提高而降低的主要原因為再生粗骨料運輸和混凝土碳化作用;對比普通混凝土,再生混凝土在CO2減排上具有更優(yōu)的環(huán)境價值.

再生混凝土;CO2排放量;生命周期評價;環(huán)境價值

中國是CO2排放量大國之一,降低CO2排放量對我國具有重要意義.近年來,再生混凝土成為學術界和工程界研究的熱點.然而,國內目前公開發(fā)表的文獻仍較少涉及如何從CO2排放量(簡稱碳排放量)的角度去評價再生混凝土.部分研究嘗試利用生命周期評價技術(LCA)對再生混凝土碳排放量進行核算,但在分析時存在評價范圍界定不全面、再生混凝土碳化作用考慮不深入、碳排放過程分析不完備等問題[1-2].本文采用LCA技術,從生命周期角度出發(fā),考慮再生混凝土碳化作用的影響,建立再生混凝土從起點到終點的碳排放量化模型,進一步完善再生混凝土碳排放量評價,以期為再生混凝土對環(huán)境的影響分析研究提供依據(jù).

1　再生混凝土碳排放量化模型

1.1計算邊界和功能單位

以往再生混凝土生命周期計算邊界的選取,通常僅限于使用前的生產過程.文獻[3]在評價普通混凝土時指出,混凝土使用階段和使用后階段對生命周期評價具有重要影響.本文中,計算邊界以再生混凝土原材料生產為起點,拆除廢棄為終點,共由6個階段組成(見圖1).其中,在原材料生產階段,僅考慮其生產環(huán)節(jié),不再追溯原料入廠加工之前的上游過程,例如對于再生粗骨料,僅考慮廢混凝土運進資源化廠后的加工過程.

圖1　再生混凝土生命周期碳排放量計算邊界

功能單位為產品輸出功能的量度,是LCA中數(shù)據(jù)輸入、輸出的參照基準.為了保證具有不同再生粗骨料取代率的再生混凝土碳排放量的可比性,選取1 m3具有相同強度與工作性的再生混凝土為功能單位.

1.2碳排放階段計算

從產生原因來看,再生混凝土碳排放量可分為直接和間接碳排放量.直接碳排放量主要為各階段化石能源使用過程中釋放的CO2以及水泥生產過程中材料自身產生的碳排放量(如石灰石的分解).間接碳排放量是指能源獲取過程(如電能生產、柴油加工等)中產生的CO2,應計入消耗該類能源的過程中.

1.2.1原材料引入碳排放量

原材料引入碳排放量C1主要包括以下2部分:

1) 原材料生產碳排放量C1a,即原材料生產、加工過程中所產生的CO2,主要包括能源消耗及材料加工時自身產生的碳排放量,其計算公式為

(1)

2) 原材料運輸至再生混凝土攪拌站產生的碳排放量C1b,其計算公式為

(2)

1.2.2再生混凝土制備碳排放量

再生混凝土生產過程碳排放量C2主要來自于能源消耗,其計算公式為

(3)

式中,ej為1 m3再生混凝土生產過程中第j類能源消耗量.

1.2.3預拌再生混凝土運輸碳排放量

再生混凝土運輸至工地的過程將產生碳排放量,其計算公式為

(4)

1.2.4再生混凝土施工碳排放量

表1列舉了部分主要建筑構件的能源消耗[4],可認為再生混凝土與普通混凝土施工過程基本相同,取各主要構件碳排放量的平均值作為1 m3再生混凝土施工碳排放量C4.按照式(3)計算各類構件的碳排放量,預拌再生混凝土損耗率取為2%.

表1　混凝土施工階段主要構件能源消耗

1.2.5再生混凝土拆除廢棄碳排放量

再生混凝土仍處于推廣階段,可暫不考慮使用后的二次回收.再生混凝土拆除廢棄碳排放量C6主要由拆除過程和廢混凝土運輸?shù)奶寂欧帕拷M成.拆除過程的能耗難以具體計算,文獻[5]提出拆除能耗按可按建造能耗的90%估算.據(jù)此可估算出拆除過程的碳排放量C6a=0.9C4.參考式(4)計算廢棄再生混凝土運輸產生的碳排放量C6b.

1.3再生混凝土碳化-吸收模型

混凝土中的堿性物質與空氣中的CO2發(fā)生化學反應,表現(xiàn)為吸收CO2現(xiàn)象,對環(huán)境產生一定的補償效應.以往計算再生混凝土碳排放量時,往往忽略碳化作用或利用普通混凝土的吸收量來進行估算,缺乏準確性.肖建莊等[6]發(fā)現(xiàn),與普通混凝土不同,再生混凝土的碳化深度隨再生粗骨料取代率的不同而改變,并提出了再生混凝土碳化深度預測公式,即

(5)式中,xc為碳化深度;R為相對濕度;W為1 m3再生混凝土水用量;C為1 m3再生混凝土水泥用量;γc為水泥種類的修正系數(shù),且對于波特蘭水泥,γc=1,其他種類水泥取γc=1-η,其中η為摻和料質量分數(shù);γHD為水泥水化程度修正系數(shù),且養(yǎng)護齡期超過90 d時取γHD=1,養(yǎng)護齡期為28 d時取γHD=0.85,中間養(yǎng)護齡期按線性插入取值;n0為CO2的體積分數(shù);t為碳化時間;gRC為再生粗骨料影響系數(shù),且再生粗骨料取代率為0時取gRC=1,取代率為100%時gRC=1.5,中間取代率時按線性插值取值.

碳化深度反映了混凝土的碳化程度,相同時間內碳化深度越大,碳化速率越快,CO2吸收量越高.根據(jù)式(5)確定碳化深度范圍的再生混凝土體積Vc,再由Vc與再生混凝土總體積V0的比值來計算CO2吸收量,計算公式為

(6)

式中,C5為再生混凝土碳化作用下的CO2吸收量;m0為1 m3再生混凝土完全碳化后吸收的CO2物質的量,計算方法可參考文獻[7];xc為碳化深度;Asurface為1 m3再生混凝土外露表面積.

2　再生混凝土碳排放量算例

以上海地區(qū)為例,計算強度等級為C30的再生混凝土碳排放量,并與相同功能單位的普通混凝土進行對比分析.各混凝土配合比見表2,假定采用柴油貨車運輸.

表2　1 m3再生混凝土和普通混凝土的配合比　kg

2.1基礎數(shù)據(jù)

基礎數(shù)據(jù)收集主要以查閱文獻和調研相結合的方式,數(shù)據(jù)優(yōu)先選用基于國家層次統(tǒng)計數(shù)據(jù),無統(tǒng)計數(shù)據(jù)時,選取近幾年公開發(fā)表文獻的相關行業(yè)數(shù)據(jù);部分過程缺乏文獻數(shù)據(jù),采用調研方式收集此過程中的相關數(shù)據(jù).

表3列舉了主要能源的碳排放量;表4為使用前的生產環(huán)節(jié)碳排放量計算參數(shù),包含原材料引入碳排放、再生混凝土制備及運輸.

表3　主要能源的碳排放量　kg

再生粗骨料典型的生產工藝為:廢混凝土入廠后,利用鏟車將廢混凝土放入破碎機,破碎后自動進入篩分機完成篩分,最終形成不同粒徑的再生粗骨料.該類工藝生產效率高,但未設置除鐵、除塵等設備,因此對廢混凝土進料有較高要求,需完成廢混凝土的初步分離.由于我國再生粗骨料仍處于推

表4　再生混凝土使用前的生產環(huán)節(jié)碳排放量計算參數(shù)

廣階段,缺乏大規(guī)模生產的統(tǒng)計數(shù)據(jù),因此表4借鑒了國外再生粗骨料加工的能耗數(shù)據(jù).對比表4中文獻[11]統(tǒng)計的天然骨料能耗,筆者認為文獻[12]中的再生粗骨料能耗偏低,主要原因在于未計入廢混凝土入廠前的初步分離過程;但考慮到本文計算邊界為材料入廠后,且目前我國對建筑廢物的初步分離包含大量人工過程,能源消耗較低,該數(shù)據(jù)仍具有一定的參考價值.

除生產環(huán)節(jié)外,在碳化階段,考慮到上海地區(qū)環(huán)境相對濕度為76%,CO2環(huán)境濃度為0.034%,假定混凝土養(yǎng)護28 d,使用年限為50 a,1 m3再生混凝土使用時的外露表面積Asurface=5.68 m2[14];在拆除廢棄階段,廢混凝土運至填埋處堆放,取平均運輸距離為30 km.

2.2計算結果及分析

根據(jù)基礎數(shù)據(jù),得到各混凝土生命周期碳排放量計算結果(見表5).

表5　1 m3再生混凝土和普通混凝土生命周期碳排放量計算結果　kg

由表5可知,原材料生產階段碳排放量C1a占總排放量比例最大,為62.1%～70.0%;原材料運輸至再生混凝土攪拌站產生的碳排放量C1b占11.0%～19.9%,其他非生產階段產生的碳排放量占17.3%～18.2%.若按文獻[1-2]中的核算方法,僅考慮生產階段且不計原材料運輸?shù)挠绊?將低估碳排放總量CT約30%.此外,隨著取代率的增加,1 m3再生混凝土水泥用量略有增加,而水泥生產過程中的碳排放量較大,按文獻[1-2]的方法,計算結果顯示再生混凝土碳排放量高于同強度的普通混凝土.但表5的結果表明,各取代率下再生混凝土生命周期碳排放量CL均低于普通混凝土,且取代率越高碳排放量越低;當取代率為30%,50%,70%,100%時,1 m3C30的再生混凝土生命周期碳排放量CL分別為314.2,310.9,307.6,301.4 kg,約為普通混凝土的97.5%,96.5%,95.5%,93.6%.從各過程數(shù)據(jù)來看,再生混凝土碳排放量隨取代率降低的原因主要為原材料運輸C1b和碳化吸收量C5的差異.

再生混凝土CO2吸收量高于普通混凝土,約為全過程碳排放量的2.8%～3.6%,且隨著取代率的增加而逐漸增大.值得注意的是,碳化作用吸收量與表面積成正比,拆除后總表面積迅速增大,碳化吸收速度將迅速加快.此外,相比天然骨料,再生粗骨料含有水泥砂漿,在攪拌前表面暴露在空氣中也會發(fā)生碳化;骨料直徑在4 cm以下時,吸收速度快,吸收量將主要取決于再生粗骨料的存放時間.再生混凝土拆除后以及再生粗骨料存放期間的CO2吸收量需進一步研究,但可以看出,碳化作用對再生混凝土碳排放量有影響,忽視吸收量將高估實際碳排放量.

與普通混凝土相比,原材料運輸也是導致再生混凝土碳排放量較低的主要原因之一.隨著再生粗骨料取代率的增加,原材料運輸碳排放量C1b降低.其主要原因在于,再生骨料的原料為廢混凝土,來源受地域限制小,加工廠選址可靠近攪拌站.但從生命周期碳排放量CL來看,若再生粗骨料運輸距離超過一定范圍,再生混凝土碳排放量將超過普通混凝土.為保證再生混凝土的環(huán)境效益,當取代率為30%,50%,70%,100%時,對應的再生粗骨料運輸距離應不大于253.9,218.9,203.7,203.3 km.

2.3影響評價與討論

碳排放量數(shù)值不能直觀地反映其產生的環(huán)境影響.將碳排放量轉化為環(huán)境成本以及完全吸收所需的綠化面積或樹木棵數(shù),則有助于加深理解.將各類混凝土碳排放量計算結果進行轉換,結果見表6.由表可知,各類混凝土碳排放量基數(shù)較大,僅1 m3混凝土產生碳排放量的環(huán)境成本約69元,需約73 m2綠化面積或17棵樹木一年才能完全吸收.

表6　1 m3再生混凝土和普通混凝土碳排放量轉換

2013年,上海地區(qū)混凝土產量為5.829×107m3,若總產量的10%由再生粗骨料取代率為100%的再生混凝土替代,當年碳排放量將減少1.2×108kg,環(huán)境成本減少2 661.8萬元,相當于綠化面積2 820 hm2或6.6×106棵樹的年吸收量.可見,在上海地區(qū)推廣再生混凝土將產生可觀的環(huán)境價值和生態(tài)效益.

3　結論

1) 針對以往再生混凝土碳排放量評價中的局限性,補充了運輸、施工建造、混凝土碳化、拆除廢棄等過程碳排放量的計算,建立了生命周期下的1 m3再生混凝土碳排放量化模型.

2) 隨著再生粗骨料取代率的提高,1 m3C30的再生混凝土生命周期碳排放量逐漸降低,當再生粗骨料取代率為30%,50%,70%,100%時,碳排放量分別為314.2,310.9,307.6,301.4 kg.碳排放量隨取代率的提高而降低的主要原因為再生粗骨料運輸和混凝土碳化作用.

3) 對比普通混凝土,在上海地區(qū)使用再生混凝土具有降低碳排放量的潛力,從減排的角度來看,推廣再生混凝土將產生一定的環(huán)境價值.

4) 對于再生混凝土,除了使用過程中會吸收CO2外,存放期間也存在碳化現(xiàn)象,該部分CO2吸收量有待進一步研究.

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Life cycle assessment on CO2emission for recycled aggregate concrete

Xiao Jianzhuang Li Ao Ding Tao

(Department of Structural Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China) (Key Laboratory of Advanced Civiling Engineering Materials of Ministry of Education, Tongji University, Shanghai 200092, China)

In order to assess CO2emission of recycled aggregate concrete (RAC), a quantitative model for CO2emission of RAC was proposed. By applying life cycle assessment (LCA) technology, the computational methods for CO2emission at the stages of raw material production, transport, preparation of RAC, construction and demolition to abandon were described. The influence of carbonation was considered and a model of carbonation-absorption for RAC was also proposed. By collecting the basic data at every stage, the CO2emission of 1 m3C30 RAC was obtained. Finally, by converting CO2emission to environmental cost and the requirement of green areas or trees with same amount absorbed, the environmental impact assessment was conducted. The results show that the CO2emission of 1 m3C30 RAC decreases with the increase of the replacement ratio of recycled coarse aggregate (RCA). The CO2emissions are 314.2, 310.9, 307.6, 301.4 kg when the replacement ratios are 30%, 50%, 70%, 100%, respectively. Transport of RCA and carbonation is the main reason for the reduction of CO2emission with the increase of the replacement ratio. Compared with natural concrete, RAC is superior to environmental values in the reduction of CO2emission.

recycled aggregate concrete; CO2emission; life cycle assessment; environmental value

10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.032

2016-01-21.作者簡介: 肖建莊(1968—)，男，博士，教授，博士生導師，jzx@#edu.cn.

國家杰出青年科學基金資助項目(51325802).

TU528.01

A

1001-0505(2016)05-1088-05

引用本文: 肖建莊,黎驁,丁陶.再生混凝土生命周期CO2排放評價[J].東南大學學報(自然科學版),2016,46(5):1088-1092. DOI:10.3969/j.issn.1001-0505.2016.05.032.