填石混凝土壩與傳統(tǒng)混凝土壩建造及使用期內(nèi)對(duì)環(huán)境負(fù)面影響比較分析

王 煒

(廣東城華工程咨詢有限公司，廣州 510630)

1 概 述

水泥是混凝土中的重要組成部分，水泥的生產(chǎn)是一個(gè)能源密集型的過程，在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的二氧化碳排放[1]。因此，如何減少混凝土壩工程建設(shè)過程中的潛在排放量成為人們普遍關(guān)注的問題[2]。填石混凝土(RFC)與傳統(tǒng)混凝土(CC)相比，RFC每單位混凝土使用的水泥要少得多，隨之而來的是更少的排放和更低的成本[3]。本文首先介紹了RFC的原理和優(yōu)點(diǎn)。在研究方法部分，本文討論了混合模型，該模型充分利用了現(xiàn)場(chǎng)記錄的現(xiàn)有數(shù)據(jù)，以確保比較結(jié)果的可靠性。同時(shí)對(duì)典型案例的評(píng)價(jià)結(jié)果進(jìn)行了分析，闡述了RFC和CC在環(huán)境影響方面的差異。

2 研究方法

以廣東省某大壩為例進(jìn)行實(shí)例分析。新建混凝土壩體體積40 698 m3，碾壓混凝土的塊石填充率62.4%，碾壓混凝土和混凝土的強(qiáng)度及耐久性設(shè)計(jì)滿足《混凝土拱壩設(shè)計(jì)規(guī)范》(SL 282-2003)的要求。將CC和RFC分別設(shè)計(jì)為兩種不同的方案，比較兩種施工方法在大壩整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境的影響。

在一般的施工實(shí)踐中，質(zhì)量、進(jìn)度、成本是日常管理的重要標(biāo)準(zhǔn)。關(guān)于大壩整個(gè)生命周期中這3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的詳細(xì)數(shù)據(jù)可以在每日?qǐng)?bào)告中找到，但承包商或業(yè)主通常都不會(huì)記錄環(huán)境影響數(shù)據(jù)。為了充分利用現(xiàn)有數(shù)據(jù)，在規(guī)劃階段不需要額外收集大量數(shù)據(jù)，選擇混合生命周期評(píng)價(jià)模型，應(yīng)用增廣過程方法對(duì)大壩建設(shè)項(xiàng)目的環(huán)境影響進(jìn)行了分析。

在運(yùn)行管理階段，由于諸多變量的復(fù)雜性，過程生命周期評(píng)價(jià)方法不適合在此階段使用。EIOLCA(經(jīng)濟(jì)投入產(chǎn)出生命周期評(píng)價(jià)法)是解決這一限制的重要組成部分?？紤]到成本價(jià)值，該方法將提供獨(dú)立部門產(chǎn)生的環(huán)境影響，這是一種連接成本和環(huán)境價(jià)值的合適方法。因此，本文采用EIOLCA方法對(duì)運(yùn)行管理的環(huán)境影響進(jìn)行評(píng)價(jià)。

3 大壩建造環(huán)節(jié)能耗分析

3.1 材料生產(chǎn)

在材料生產(chǎn)階段，混凝土攪拌使用的主要材料是水泥、砂和骨料。RFC的組成包括水泥、砂、骨料、粉煤灰、巖石、聚羧酸鹽高效減水劑(PS)和引氣劑(AA)。在化石燃料方面，柴油和汽油也被計(jì)算在內(nèi)。當(dāng)計(jì)算在RFC中生產(chǎn)兩種化學(xué)添加劑(即PS和AA)所產(chǎn)生的排放量時(shí)，沒有可供直接使用的數(shù)據(jù)。利用高效減水劑的前驅(qū)體甲醛的數(shù)據(jù)對(duì)PS進(jìn)行了模擬。計(jì)算中用等量的高效減水劑取代甲醛數(shù)據(jù)。假設(shè)AA與高效減水劑具有相同的值，基于過程的生命周期評(píng)價(jià)方法適用于這些材料。表1顯示了制造這兩種不同施工方法的原材料所產(chǎn)生的排放量。單位數(shù)量代表生產(chǎn)1 m3混凝土所需的原材料數(shù)量。

表1 CC和RFC大壩施工方法和數(shù)據(jù)源的原材料生產(chǎn)清單

與CC相比，RFC減少約72%的CO2排放，這是因?yàn)镽FC組成中的水泥用量顯著減少。巖石占據(jù)了RFC體積的很大比例。雖然使用了大量的重型設(shè)備，但生產(chǎn)石塊的排放系數(shù)仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于生產(chǎn)水泥的排放系數(shù)。在碾壓混凝土中，除了石塊填充率高外，大量的粉煤灰作為粉料被用來代替水泥。粉煤灰是一種排放系數(shù)非常低的副產(chǎn)品。就RFC中使用的兩種化學(xué)添加劑(即PS和AA)而言，盡管它們的碳強(qiáng)度很高，但相對(duì)于其他材料，它們的含量要少得多。對(duì)于沙子和骨料，由于它們的用量減少，幾乎節(jié)省了60%以上的排放量。結(jié)果表明，盡管RFC的組成比CC復(fù)雜，但RFC顯著降低了所有材料的總排放量。

3.2 材料運(yùn)輸

在運(yùn)輸階段，車輛要消耗大量的化石燃料，如柴油和汽油。車輛的工作負(fù)荷取決于運(yùn)輸材料的重量和制造地點(diǎn)與建筑工地之間的距離。在這種情況下，材料由載重為10 t的卡車運(yùn)輸，運(yùn)行速度為每小時(shí)30 km。根據(jù)載重汽車的工作負(fù)荷，通過查找液壓定額中的能耗系數(shù)，計(jì)算出載貨汽車的運(yùn)行時(shí)間和燃料總量，其中一輛卡車消耗的柴油約為14 kg/h。RFC和CC在運(yùn)輸過程中排放的對(duì)比結(jié)果見圖1。

圖1 材料運(yùn)輸產(chǎn)生的排放比較

圖1中顯示，雖然運(yùn)輸粉煤灰和石塊的排放量很大，但由于水泥、沙子和骨料的顯著減少，以及由于石塊的運(yùn)輸距離比其他材料更近，RFC的最終總排放量仍比CC減少25%。

3.3 施 工

在施工階段，排放主要來自現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備運(yùn)行期間消耗大量能源和電力。不同類型設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間由各自的工作負(fù)荷和生產(chǎn)率決定，這可在設(shè)計(jì)規(guī)范中找到。根據(jù)每種設(shè)備的運(yùn)行時(shí)間，通過計(jì)算獲得該階段使用的化石燃料和電力總量。采用RFC混凝土?xí)r，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備產(chǎn)生的總排放量減少51%，因?yàn)榛旌匣炷恋臄?shù)量顯著減少。由圖2和圖3可知，纜索起重機(jī)消耗的能量最多，并且在產(chǎn)生排放物方面起著重要作用。當(dāng)在建筑中使用重油催化裂化時(shí)，混凝土攪拌車和挖掘機(jī)的排放分別排在第二和第三位。但是對(duì)于CC來說，混凝土攪拌車和挖掘機(jī)被自卸車和空氣壓縮機(jī)所取代?；炷翑嚢柢嚭妥孕镀囉糜谶\(yùn)輸預(yù)拌混凝土。

圖2 RFC中使用的設(shè)備的排放消耗比例

圖3 CC中使用的設(shè)備的排放消耗比例

為保證SCC的流動(dòng)性，RFC采用混凝土攪拌車。空氣壓縮機(jī)主要用于提供動(dòng)力來振動(dòng)倒入建筑工地的混凝土。

3.4 運(yùn)行和維護(hù)

在O&M(運(yùn)行和維護(hù))階段，當(dāng)使用建筑排放總量指標(biāo)對(duì)案例進(jìn)行評(píng)估時(shí)，就年度O&M成本而言，對(duì)CC和RFC分別進(jìn)行了研究。結(jié)果表明，RFC不僅降低了建設(shè)成本，還降低了O&M成本。當(dāng)使用鋼筋混凝土?xí)r，大壩出現(xiàn)裂縫的可能性將會(huì)降低，因?yàn)榕c混凝土相比，每立方混凝土中使用的水泥更少，故使用RFC降低了O&M成本。

4 結(jié)果分析

大壩整個(gè)生命周期的總環(huán)境影響是通過累積材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和O&M階段的能耗和排放來計(jì)算的。由圖4可知，與CC相比RFC降低了55%的總能耗。因此，在大壩的整個(gè)生命周期中，通過使用反應(yīng)堆冷卻劑系統(tǒng)，大約可減少64.5%的二氧化碳排放。

圖4 用CC法和RFC法建造大壩的全壽命期總能耗

通過使用全球變暖潛能(GWP)值，獲得了CC和RFC的生命周期GHG排放的最終結(jié)果，見圖5。與其他施工階段相比，材料生產(chǎn)過程的GHG排放和能耗較大，這證實(shí)了水泥的生產(chǎn)過程是大壩整個(gè)生命周期環(huán)境影響的主要因素。

圖5 用CC法和RFC法建造大壩期間的總排放量

除了GHG排放量，氮氧化物、一氧化碳和顆粒物也在這項(xiàng)研究中量化。由圖6可知，氮氧化物排放主要是在運(yùn)輸和建設(shè)階段消耗大量柴油和汽油產(chǎn)生的。在材料生產(chǎn)階段，因?yàn)樵谏a(chǎn)水泥時(shí)需要大量的熱量來分解碳酸鈣，所以燃燒大量的化石燃料來提供足夠的熱量，并且在燃燒過程中產(chǎn)生大量的一氧化碳排放。對(duì)人體健康有有害影響的顆粒物排放主要是在建筑工地產(chǎn)生的，因?yàn)樵诮ㄖ^程中使用了大量設(shè)備，而且車輛廢氣中的顆粒物含量很高。

圖6 在大壩建設(shè)的生命周期內(nèi)，采用CC和RFC法的其他排放量

5 結(jié) 論

本研究采用混合生命周期評(píng)價(jià)模型對(duì)大壩生命周期的環(huán)境負(fù)荷進(jìn)行評(píng)價(jià)，并比較了大壩生命周期內(nèi)相對(duì)于循環(huán)成本的環(huán)境影響，通過一個(gè)案例研究計(jì)算了材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、施工和O&M階段的能耗和排放。評(píng)估結(jié)果表明，大壩在使用壽命期間會(huì)消耗大量能源，產(chǎn)生大量排放。與CC相比，RFC被證明在整個(gè)生命周期中對(duì)環(huán)境影響更低，降低了64%的GHG排放量和55%的能源使用。在大壩壽命的每個(gè)階段，在材料生產(chǎn)階段減少了72%的二氧化碳排放量，在運(yùn)輸階段減少了25%，在建造階段減少了51%，在O&M階段減少了15.6%。RFC的環(huán)境效益將有助于決策者為混凝土大壩選擇更環(huán)保的施工方法。