堆石混凝土技術(shù)碳減排效益評價

柳春娜，金 峰

（1. 中國水利水電科學(xué)研究院，北京市 100038；2. 清華大學(xué)水利水電工程系，北京市 100084）

0 引言

2020年國家主席習(xí)近平提出了二氧化碳排放力爭2030年前達(dá)到峰值，力爭2060年前實現(xiàn)碳中和的目標(biāo)。到2030年我國的新建大壩和已有大壩除險加固，經(jīng)初步估算，約涉及5億m3混凝土施工[1]。同時還產(chǎn)生大量的固體廢棄物，如何循環(huán)利用這些廢棄材料，減少筑壩原材料消耗，降低環(huán)境影響和經(jīng)濟成本，是發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟的重要課題。清華大學(xué)金峰和安雪暉教授共同發(fā)明的堆石混凝土技術(shù)（rock- filled concrete，RFC），工藝簡單、造價低廉、環(huán)境友好[2]，已迅速在國內(nèi)大壩工程中推廣采用。該技術(shù)將自密實混凝土和塊石有效結(jié)合，減少了水泥用量，大幅降低生命周期碳排放量，并通過循環(huán)利用廢棄的固體石料，實現(xiàn)“減量、再用、循環(huán)”的原則，降低了成本，展現(xiàn)了良好的可持續(xù)發(fā)展效益。隨著堆石混凝土技術(shù)在國內(nèi)114個工程項目中成功應(yīng)用[3]，迫切需要建立一套碳減排效益評價方法，定量評價堆石混凝土筑壩技術(shù)降低排放量和經(jīng)濟成本的優(yōu)勢，為決策者提供低碳筑壩技術(shù)參考。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 混凝土基礎(chǔ)建設(shè)工程碳排放評價

根據(jù)美國土木學(xué)會（ASCE）在2001年發(fā)布的報告，life cycle assessment （LCA）方法已成為被廣泛認(rèn)可的評價混凝土基礎(chǔ)建設(shè)工程碳排放的工具，但在水利水電工程的評價中，已有研究主要側(cè)重于水庫溫室氣體排放，以及比較不同能源生產(chǎn)方式的環(huán)境表現(xiàn)，針對混凝土大壩生命周期的碳排放評價研究相對較少[4]。Zhang 等人基于投入產(chǎn)出生命周期評價（EIO-LCA）的方法，根據(jù)美國1992年的投入產(chǎn)出表評估了我國的兩座大壩生命周期的碳排放量[5]，但EIO-LCA是一種高度集合的方法，代表了整個地區(qū)的平均經(jīng)濟情況，不適用于評價單獨的建設(shè)項目或者評價相同建設(shè)項目中的不同建設(shè)方法的效益，在基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可獲性強的情況下，使用基于過程的生命周期評價方法（process-LCA）更為恰當(dāng)[6]。而且Hendrickson，Sharrard，Belic等人的研究指出，在過去的生命周期碳排放研究中側(cè)重于使用期的排放量評價，其他階段的碳排放量被低估[4，7]。

life cycle cost assessment （LCCA）是成本評價的主要方法，用來計算生命周期的內(nèi)部成本。然而在可持續(xù)建設(shè)的要求下，除了內(nèi)部成本，以社會影響為主要因素的外部成本逐漸引起了學(xué)者們的重視。Ehlen 等人進(jìn)行了相關(guān)的研究，進(jìn)一步擴展了對LCCA評價的定義，考慮了因選擇不同建筑材料產(chǎn)生的上游環(huán)境成本差異[8]。Norris和USEPA的研究進(jìn)一步指出了可持續(xù)發(fā)展研究中，有必要綜合評價工程的碳排放和經(jīng)濟表現(xiàn)[9]。Keoleian 等人提出了混凝土橋梁的生命周期評價框架[10]，將碳排放和經(jīng)濟成本核算融入新材料開發(fā)應(yīng)用的過程中，實現(xiàn)可持續(xù)評估。Kendall等人則在此框架的基礎(chǔ)上通過建立LCA和LCCA耦合模型分析了混凝土橋梁鏈接件更換過程中的交通成本，以此來分析碳減排方案的可持續(xù)效益[11]。然而該耦合模型主要偏重交通工具排放和成本的評估，低估了建筑物本身生命周期的評價，無法直接用于本研究的評價中。特別是在應(yīng)用堆石混凝土技術(shù)時，通過循環(huán)利用廢棄材料，減少原材料生產(chǎn)和運輸，降低碳排放量和成本而產(chǎn)生的效益，可作為循環(huán)成本和生態(tài)成本效益在外部成本中分析，并結(jié)合內(nèi)部成本進(jìn)行綜合評價。

1.2 堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料原理

堆石混凝土基本機理如圖1所示[12、13]。首先將滿足一定粒徑要求的大塊石/卵石直接入倉，形成有空隙的堆石體，然后在堆石體表面澆注滿足特定要求的高自密實性能混凝土（high performance self-compacting concrete，簡稱HSCC），依靠自重，填充堆石空隙，形成完整、密實、低水化熱、滿足強度要求的混凝土。

圖1 堆石混凝土機理Figure1 Mechanism of RFC

可以看出堆石混凝土筑壩技術(shù)本身需要大量塊石作為建筑材料。將固體廢棄物循環(huán)利用直接代替塊石，或者加工成可以使用的塊石，一方面可解決大量固體廢棄物的處理困難和由其引發(fā)的對環(huán)境的負(fù)面影響問題，節(jié)省廢棄物清運和處理費用；另一方面可減少對天然石料的開采，保護(hù)骨料資源，節(jié)省開采消耗的能源和成本，從而降低排放和經(jīng)濟成本，滿足可持續(xù)發(fā)展的需求。

1.3 堆石混凝土定額參數(shù)

通過調(diào)研工程資料的分析計算，獲得了完成單位工程的材料消耗及人工、機械效率；參考巴辛斯基的數(shù)列整理方法，有條件地從數(shù)列中刪除顯著不合理的可疑數(shù)字，求出最大極限與最小極限，計算在極限值范圍內(nèi)的算術(shù)平均值。堆石混凝土預(yù)算定額（每100m3）如表1所示。

表1 堆石混凝土預(yù)算定額Table 1 Budget quota of RFC

續(xù)表

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，高自密實性能混凝土的單位水泥用量見表2?？紤]到堆石混凝土大壩主要采用C15等級混凝土，高壩也可以提高到C20，對碳排放影響較大的水泥用量取為160kg/m3自密實混凝土。

表2 高自密實性能混凝土的水泥用量Table 2 Cement dosage of high self-compacting concrete

2 堆石混凝土技術(shù)碳減排效益評價

2.1 評價模型

根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)化組織（international organization for standardization，ISO）2006最新版發(fā)布的生命周期評價方法學(xué)，生命周期評價的框架分為四個部分，包括確定目標(biāo)和范圍定義、清單分析、影響評價、結(jié)果解釋[14]。本文提出了如圖2所示的堆石混凝土技術(shù)碳減排效益評價模型。首先確定本研究的范圍是基于材料生產(chǎn)、材料運輸、建設(shè)過程[15]和使用過程全生命周期的角度，建立排放清單和成本耦合評價模型[16、17]。通過環(huán)境、經(jīng)濟和社會成本評價，分析已完工工程循環(huán)利用廢棄材料的可持續(xù)發(fā)展效益，促進(jìn)具有環(huán)境和經(jīng)濟友好性的技術(shù)發(fā)展，為后續(xù)工程技術(shù)的選擇提供決策支持，推動循環(huán)利用廢棄材料的進(jìn)程。

圖2 碳減排效益評價模型Figure 2 Hybrid model of carbon abatement evaluation

2.2 生命周期清單分析

在確定了研究范圍后，則需要確定碳排放要素，建立生命周期碳排放清單，主要包括原材料生產(chǎn)排放清單和能源消耗排放清單兩部分。能源消耗排放清單又分為柴油、汽油以及當(dāng)?shù)仉娏ιa(chǎn)排放清單三個部分。本研究基于Intergovernmental Panel on Climate Changes （IPCC） 指南中提供的方法，根據(jù)歐盟生命周期參考數(shù)據(jù)庫 （ELCD） 數(shù)據(jù)庫，美國環(huán)境保護(hù)局 （USEPA） 數(shù)據(jù)庫，日本土木學(xué)會（Japan civil concrete committee）數(shù)據(jù)和中國生命周期參考數(shù)據(jù)庫（CLCD）[18]，確定水泥、沙子、石子、粉煤灰、塊石、減水劑、柴油、汽油等碳排放要素的排放系數(shù)。并根據(jù)工程所在地的能源來源情況，采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，使用中國生命周期清單數(shù)據(jù)庫 （CLCD），確定能源消耗碳排放清單。

2.3 生命周期各階段碳排放評價方法

在分析生命周期碳排放清單后，即可通過調(diào)研工程資料和現(xiàn)場數(shù)據(jù)，評價生命周期各階段的碳排放量。

（1）在材料生產(chǎn)階段，調(diào)研堆石混凝土施工的堆石率，材料配合比，工程結(jié)算時循環(huán)利用的固體廢棄物的方量等數(shù)據(jù)，確定各類原材料的設(shè)計需求量和實際節(jié)約量，從而根據(jù)已確定的材料排放清單，確定材料生產(chǎn)階段碳排放量。如式（1）所示。

式中：Wi——各類材料生產(chǎn)總量；

EFi——不同材料的碳排放系數(shù)。

（2）在材料運輸階段，調(diào)研各類原材料運輸?shù)焦こ态F(xiàn)場的距離和處理固體廢棄物時運輸?shù)蕉烟顖龅木嚯x；根據(jù)運輸設(shè)備的載重量、速度和運輸材料的重量，計算確定運輸設(shè)備的臺時；然后通過查找《水利建筑工程堆石混凝土定額成果》中單位臺時的耗油量，計算運輸設(shè)備的耗油量，從而根據(jù)已確定的相應(yīng)的能源排放系數(shù)，進(jìn)行運輸階段的碳排放評價。如式（2）所示：

式中：Wi——運輸材料重量；

L——運輸距離；

Wtruck——運輸設(shè)備載重量；

Vtruck——運輸設(shè)備的速度；

Coil——單位臺時的耗油量；

EFoil——柴油/汽油的碳排放系數(shù)。

（3）在工程建設(shè)階段，根據(jù)《水電水利工程堆石混凝土施工規(guī)范》[19]調(diào)研工程結(jié)算資料中現(xiàn)場施工的耗油耗電量，根據(jù)建立的當(dāng)?shù)啬茉磁欧徘鍐危_定建設(shè)過程的碳排放量。如式（3）所示：

式中：Qoil——統(tǒng)計得到的耗油量；

Qelectricity——統(tǒng)計得到的耗電量；

EFoil——柴油/汽油的碳排放系數(shù)；

EFelectricity——當(dāng)?shù)仉娏Φ奶寂欧畔禂?shù)。

（4）在使用階段，傳統(tǒng)的項目管理只統(tǒng)計經(jīng)濟成本，沒有詳細(xì)的材料和設(shè)備使用清單數(shù)據(jù)，無法根據(jù)式（1）～式（3）計算碳排放量。因此在本研究中采用投入產(chǎn)出的評價方法計算該階段的碳排放量。調(diào)研結(jié)果顯示，我國大壩每年運行和維護(hù)成本約占總投資的2%?；谖覈l(fā)布的2002年投入產(chǎn)出表，根據(jù)式（4）計算使用階段的碳排放量。

式中：X——總產(chǎn)出矩陣；

Y——最終使用矩陣；

A——技術(shù)系數(shù)矩陣；

C——能源強度矩陣。

2.4 循環(huán)利用廢棄材料碳減排量

根據(jù)上述的生命周期各階段的碳排放評價方法可以看出，堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料的碳減排量主要體現(xiàn)在節(jié)省原材料生產(chǎn)、運輸，減少固體廢棄物運輸，以及降低成本，減少運行期的碳排放四個部分，如式（5）所示。

綜上所述，基于生命周期的堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料的碳排放量如式（6）所示：

2.5 生命周期成本評價

如圖2所示，成本評價模型主要包含了內(nèi)部成本和外部成本兩個部分。本文通過調(diào)研工程設(shè)計和結(jié)算材料，采用傳統(tǒng)的LCCA方法進(jìn)行凈現(xiàn)值折算以計算內(nèi)部成本，包含了材料生產(chǎn)、運輸、建設(shè)過程和運行維護(hù)的總成本。本研究中的外部成本包括堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料所產(chǎn)生的循環(huán)成本效益和減少碳排放所創(chuàng)造的生態(tài)成本效益兩個部分。其中前者主要是節(jié)省新材料的生產(chǎn)和運輸成本，以及避免廢棄材料運輸和垃圾處理的社會成本。后者則需要通過計算循環(huán)利用廢棄材料而減少的碳排放量Erecycle進(jìn)行評價，如式（7）所示：

式中：IF——單位排放量的生態(tài)成本，在本研究中參考Vogtlander等人評價得到的結(jié)果，IF=1元/kg CO2[20]。

3 案例分析

3.1 工程簡介

根據(jù)以上建立的評價模型和方法，本文選取中山長坑三級水庫重建項目進(jìn)行案例分析，評價堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料的可持續(xù)效益。重建后長坑水庫是一座以防洪、供水為主的?。ㄒ唬┬退畮臁４髩稳坎捎枚咽炷潦┕ぜ夹g(shù)，最大壩高26.5m，壩頂長88.0m，澆筑混凝土方量約18000 m3，每倉厚度1.5m。長坑水庫原壩體為漿砌石壩和土壩組成，其中漿砌石部分約6800方。重建過程中，原漿砌石壩拆除量中的約3600方石料，繼續(xù)作為堆石原料用于新壩體，實現(xiàn)廢棄材料的循環(huán)利用，從而減少約3600m3的固體廢棄物，減少新石料的開采和運輸環(huán)節(jié)。

3.2 碳排放評價

該工程案例中的堆石混凝土原材料包括水泥、沙子、石子、粉煤灰、塊石和減水劑，機械設(shè)備消耗的能源包括汽油、柴油和電力，各項原材料生產(chǎn)階段的排放清單如表3所示；能源消耗的碳排放系數(shù)如表4所示；各類原材料運輸?shù)焦こ态F(xiàn)場的距離和處理廢棄材料時運輸?shù)蕉烟顖龅木嚯x如表5所示。

表3 各項原材料生產(chǎn)階段的排放清單Table 3 Emission inventory of raw materials

表4 能源消耗的碳排放系數(shù) Table 4 Emission factors of energy consumption

表5 運輸距離Table 5 Transportation length

根據(jù)以上建立的評價模型中給出的式（1）～式（6），計算得到中山工程堆石混凝土生命周期各階段的碳排放量，以及循環(huán)利用廢棄材料所產(chǎn)生的碳減排量。并采用相同的方法，分析了如果采用常規(guī)混凝土技術(shù)，在相同的壩體強度和安全性情況下，大壩生命周期各階段的排放量，對比結(jié)果如圖3所示。

圖3 各階段碳排放量分布對比圖Figure 3 Emission performance of using RFC during the each stage of the construction process

可以看出，相對于常規(guī)混凝土筑壩技術(shù)，堆石混凝土在材料生產(chǎn)、材料運輸、建設(shè)過程和使用過程分別減排了56.5%、71.4%、48.6%、52.2%，總體減排量約55%，其中原材料生產(chǎn)過程的碳排放占據(jù)了生命周期總排放量的主導(dǎo)地位。在本文案例中，堆石混凝土筑壩技術(shù)生命周期的碳排放量約為2324 t CO2eq。通過循環(huán)利用廢棄材料，在此基礎(chǔ)上可以進(jìn)一步減少約10%的排放，其中原材料生產(chǎn)階段減排72t CO2eq，原材料運輸?shù)焦こ态F(xiàn)場和廢棄材料運輸?shù)蕉烟顖龅沫h(huán)節(jié)減排120t CO2eq，通過降低成本，在使用階段減排約36t CO2eq。

3.3 成本評價

該工程案例中的內(nèi)部成本包括了混凝土的生產(chǎn)、運輸、澆筑、使用維護(hù)等環(huán)節(jié)，通過現(xiàn)場調(diào)研工程設(shè)計和結(jié)算文件，計算得到內(nèi)部成本約為587萬元。外部成本包括了循環(huán)成本和生態(tài)成本兩個部分。其中在利用廢棄材料后，減少了新塊石材料生產(chǎn)和運輸環(huán)節(jié)，經(jīng)計算可節(jié)省成本約30萬元；同時避免了廢棄材料的運輸和建筑垃圾填埋費用，根據(jù)《中山市的垃圾處理收費標(biāo)準(zhǔn)》，產(chǎn)生約86萬元的經(jīng)濟效益，共約116萬元的循環(huán)成本效益。在計算生態(tài)成本時，采用公式（7）的計算方法，創(chuàng)造生態(tài)效益約23萬元。因此在綜合考慮經(jīng)濟成本和社會成本情況下，該堆石混凝土工程項目在循環(huán)利用廢棄材料后，產(chǎn)生的成本效益為139萬元，約占經(jīng)濟總投資的23.7%。

4 結(jié)論

在國家實現(xiàn)雙碳目標(biāo)的戰(zhàn)略需求下，本研究結(jié)合堆石混凝土循環(huán)利用廢棄材料，減少排放，降低成本的優(yōu)勢，研究了堆石混凝土技術(shù)碳減排效益評價方法，通過分析中山長坑水庫工程的案例，可以看出相比于常規(guī)混凝土，堆石混凝土技術(shù)可以降低約55%的碳排放量；通過循環(huán)利用舊壩的廢棄漿砌石材料，可進(jìn)一步減少約10%的碳排放量，產(chǎn)生的成本效益約占總投資的23.7%。

未來的研究將擴展到工程設(shè)計和施工階段，利用仿真模擬工具，預(yù)測大壩生命周期過程的碳排放和成本，為管理者提供更多的選擇方案，以更好地促進(jìn)低碳筑壩技術(shù)的推廣應(yīng)用。