基于生命周期理論的再生混凝土空心砌塊環(huán)境性能評價

李承明，孔祥坤，熊宇強，柏睿，涂安，郭樟根

（1.江蘇邗建集團有限公司，江蘇揚州 225127；2.南京工業(yè)大學土木工程學院，江蘇南京 210000）

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，大量房屋的建造消耗了巨量的天然資源和能源，排放了大量的建筑垃圾和污染氣體，產(chǎn)生了嚴重的環(huán)境問題。使用建筑垃圾作為再生骨料替代天然骨料來制作混凝土-再生混凝土，既可減少對天然砂石資源的開采，同時也可以解決廢棄混凝土的處置問題，實現(xiàn)資源與環(huán)境的雙收益。再生混凝土符合發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟和建設資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的思路與理念，是發(fā)展綠色混凝土，實現(xiàn)建筑、資源及環(huán)境可持續(xù)發(fā)展的重要措施之一[1-5]。

近年來，使用再生混凝土制作砌塊、多孔磚等混凝土制品得到了眾多科研人員的重視。國外Poon C[6]、Corinaldesi V[7]、Soutsos[8]、Matar[9]等研究了再生骨料對混凝土空心砌塊抗壓強度的影響規(guī)律。國內(nèi)同濟大學、南京工業(yè)大學、北京工業(yè)大學、鄭州大學等高校開展了大量再生混凝土墻體材料的研究，內(nèi)容涉及砌塊力學性能及砌體的結構性能等[10]。國內(nèi)外現(xiàn)有研究結果表明：采用再生混凝土粗、細骨料制作混凝土空心砌塊及多孔磚是可行的。近年來，再生混凝土墻體材料在國內(nèi)也得到了一定規(guī)模的推廣應用。2018年，南京工業(yè)大學使用再生混凝土空心砌塊建造了一棟綠色示范建筑（見圖1）。

圖1 再生混凝土空心砌塊建筑

當前有關再生混凝土的研究主要關注其力學及耐久性能，對再生混凝土特別是再生混凝土制品（砌塊）從原材料、運輸?shù)街苽湔麄€生命周期進行環(huán)境影響評價的研究不多。本文采用生命周期評價方法（LCA），對再生混凝土空心砌塊整個生產(chǎn)過程的環(huán)境影響進行評價和分析。

1 再生混凝土空心砌塊

選取再生混凝土空心砌塊的再生粗骨料取代率為75%，采用當?shù)貜U棄混凝土制作，對比砌塊采用普通混凝土空心砌塊。再生混凝土空心砌塊和普通混凝土空心砌塊的具體配合比及抗壓強度如表1所示。

表1 再生及普通混凝土空心砌塊的配合比及抗壓強度

2 再生混凝土空心砌塊生命周期評價方法

LCA是對產(chǎn)品生命周期（原材料的獲取、生產(chǎn)、使用及使用后的處置）的環(huán)境影響進行定量化評價的方法。ISO13.315-1規(guī)定LCA由4個步驟組成：目標與范圍定義、生命周期清單創(chuàng)建與分析、環(huán)境影響評價、結果解釋[11]。

2.1 目標與范圍定義

考慮再生混凝土和普通混凝土空心砌塊的使用和拆除階段基本相同，本文采用從搖籃到大門（Cradle-to-Gate）的系統(tǒng)邊界（見圖2），即以原材料生產(chǎn)為起點，砌塊的制作完成為終點，包括所有原材料生產(chǎn)、系統(tǒng)內(nèi)運輸及混凝土的制作過程，不包括使用及拆除階段。為了保證計算結果的可比性以及方便計算，本文的功能單元取為1 m3混凝土拌合物。

圖2 再生混凝土空心砌塊系統(tǒng)邊界

2.2 生命清單創(chuàng)建與分析

生命清單的創(chuàng)建包括計算混凝土砌塊整個生產(chǎn)過程（原材料生產(chǎn)、材料運輸、砌塊制作等）中污染氣體的排放。原材料生產(chǎn)的環(huán)境負荷指水泥、天然砂、天然粗骨料、再生粗骨料生產(chǎn)過程中的污染氣體排放。材料運輸?shù)沫h(huán)境負荷指所有原材料運輸至砌塊生產(chǎn)廠家產(chǎn)生的污染氣體排放。具體計算中根據(jù)不同原材料的運輸距離、運輸方式等計算污染氣體排放。砌塊制作的環(huán)境負荷是砌塊生產(chǎn)廠生產(chǎn)再生混凝土空心砌塊產(chǎn)生的污染氣體排放。

本文選用四川億科環(huán)境科技中國生命周期核心數(shù)據(jù)庫CLCD和瑞士Ecoinvent數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)[12]，計算得到了混凝土空心砌塊生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的9種污染氣體（CO2、NOx、CH4、SO2、CO、NMVOC、N2O、NH3、PM10）排放如表2所示。表2中所列數(shù)據(jù)為生產(chǎn)每千克原料或運輸每千克原料1 km所排放的污染氣體。天然粗骨料采用江西采石場生產(chǎn)的石灰石，用鐵路運輸?shù)侥暇┗炷疗鰤K廠，運輸距離為1000 km。再生粗骨料采用南京江北新區(qū)的拆除建筑，用18 t貨車運輸至混凝土砌塊廠，運輸距離為20 km。天然砂選用本地采砂廠的成品，用18 t貨車運輸至混凝土砌塊廠，運輸距離為50 km。水泥采用18 t貨車從水泥廠運輸至混凝土砌塊廠，運輸距離為50 km。計算得到的1 m3再生和普通混凝土空心砌塊生產(chǎn)過程9種污染氣體排放如表3所示。

表2 再生及普通混凝土空心砌塊原材料獲取及生產(chǎn)過程污染氣體排放

表3 混凝土空心砌塊生產(chǎn)過程9種污染氣體排放 kg/m3 混凝土

2.3 環(huán)境影響評價

環(huán)境影響評價就是把生命清單數(shù)據(jù)分類特征化，并采用不同環(huán)境影響類型來解釋清單分析結果。本文采用CML2001[CML2001是荷蘭萊頓大學環(huán)境研究中心（Leiden University，Center of Environmental Science）在2001年所發(fā)表的一種根據(jù)ISO標準的生命周期評價方法] 的分類方法及當量評價模型，選取了常用的5種環(huán)境影響類型參數(shù)：GWP（global warming potential，溫室效應）、AP（acidification potential，環(huán)境酸化）、EP（eutrophication potential，富營養(yǎng)化）、POCP（photochemical fog in the atmosphere potential，光化學煙霧）、HTP（human toxicity potential，人體健康損害）評價再生及普通混凝土砌塊的環(huán)境性能，見表4。

表4 混凝土空心砌塊的影響類型和類型參數(shù)

3 環(huán)境影響評價結果分析

再生和普通混凝土空心砌塊的5種環(huán)境影響類型參數(shù)計算結果如表5所示。

表5 混凝土空心砌塊原材料獲取及生產(chǎn)過程5種類型環(huán)境影響計算結果

從表5可以看出，再生混凝土空心砌塊的5種類型環(huán)境影響均小于普通混凝土空心砌塊。再生混凝土空心砌塊的GWP值較普通混凝土空心砌塊降低5.54%，再生混凝土空心砌塊的AP、EP、POCP、HTP較普通混凝土空心砌塊分別降低19.2%～65.1%。這主要是因為再生粗骨料采用當?shù)貜U棄混凝土制作，其運輸距離遠遠小于天然粗骨料，使再生粗骨料運輸產(chǎn)生的環(huán)境排放得到有效降低。再生粗骨料運輸產(chǎn)生的GWP值相比天然粗骨料降低了147.4%，再生粗骨料生產(chǎn)產(chǎn)生的GWP值比天然粗骨料高79.2%。這主要是由于當前再生粗骨料的制作工藝較粗放，廢棄混凝土的破碎分級等消耗了大量能源（電能），并產(chǎn)生了大量粉塵，從而增加了環(huán)境排放。此外，水泥生產(chǎn)是產(chǎn)生溫室效應GWP的主要原因，分別占再生和普通混凝土空心砌塊溫室氣體GWP排放的92.5%和87.7%。

為了比較和量化不同類型環(huán)境影響參數(shù)對整個環(huán)境排放的影響程度，國際上通用的方法是將環(huán)境影響類型數(shù)值除以歸一化基準值。本文根據(jù)CML提出的基準值，計算得到的再生及普通混凝土空心砌塊GWP、AP、EP、POCP、HTP的歸一化結果如表6所示。

表6 混凝土空心砌塊原材料獲取及生產(chǎn)階段歸一化結果

從表6可以看出，再生混凝土空心砌塊的GWP和POCP對整個環(huán)境排放的貢獻最大，分別占比47.0%、22.7%。再生混凝土砌塊的EP、HTP對整個環(huán)境排放的貢獻較小，分別占總環(huán)境影響的比例分別為5.5%、0.1%。此外，再生混凝土砌塊環(huán)境影響類型的歸一化結果均小于普通混凝土砌塊，表明使用再生骨料制作混凝土砌塊可以有效減小砌塊的環(huán)境排放，提升其環(huán)境性能。

3 結論與建議

本文采用LCA對比分析了再生和普通混凝土空心砌塊生產(chǎn)過程的環(huán)境性能，得到以下幾點結論：

（1）再生混凝土空心砌塊的溫室效應、酸化效應、光化學污染、富營養(yǎng)化、人體健康損害等均小于普通混凝土空心砌塊，使用再生粗骨料制備混凝土砌塊可以有效降低混凝土砌塊的環(huán)境排放，推廣應用再生混凝土空心砌塊可以有效提升砌體結構的可持續(xù)發(fā)展能力。

（2）水泥的生產(chǎn)是產(chǎn)生GHG溫室氣體排放，導致溫室效應的主要原因，主要是因為水泥的生產(chǎn)過程中消耗了大量能源，排放了大量CO2等污染氣體。

（3）當前，再生粗骨料制備工藝較粗放，廢棄混凝土的破碎消耗了大量電能，并產(chǎn)生了大量粉塵。因此，對廢棄混凝土破碎等再生粗骨料的制備工藝進行研究，降低再生粗骨料制備過程中的環(huán)境排放具有重要的社會及環(huán)保效益。