綠色橡膠再生粗骨料混凝土的碳排放分析

王一曉，王會(huì)娟，張昂

（1.鄭州大學(xué)水利科學(xué)與工程學(xué)院，河南 鄭州 450001；2.中原科技學(xué)院土木建筑工程學(xué)院，河南 鄭州 451400）

0 引言

安全性高、性能穩(wěn)定的混凝土材料被廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，但對(duì)混凝土的龐大需求增加了碳排放。近年來，較多學(xué)者針對(duì)建筑固廢問題進(jìn)行了研究，分析了在實(shí)際工程中使用再生骨料的環(huán)境優(yōu)勢(shì)。Xiao等[1]建造了1棟天然混凝土建筑和1棟再生粗骨料摻量為30%的再生混凝土建筑，層高均為12層，設(shè)計(jì)合理的配合比，再生混凝土可達(dá)到與天然混凝土相當(dāng)?shù)目箟簭?qiáng)度，對(duì)比評(píng)估再生混凝土可實(shí)現(xiàn)的潛在碳減排，再生混凝土建筑的碳排放量相應(yīng)降低了7.93%，建筑能耗降低了12.79%。雷穎等[2]以我國(guó)內(nèi)陸城市太原市為例，基于當(dāng)?shù)卣{(diào)研結(jié)果形成碳排放清單，發(fā)現(xiàn)再生混凝土有較為顯著的環(huán)境效益，且確定了相對(duì)碳排放優(yōu)勢(shì)的運(yùn)輸距離臨界值。與此同時(shí)，運(yùn)輸行業(yè)的快速發(fā)展導(dǎo)致橡膠輪胎的需求增加。當(dāng)橡膠制品超過其利用周期而被大量廢棄時(shí)，若不加以合理處置，大量的廢棄橡膠將會(huì)發(fā)展形成“黑色污染”。目前關(guān)于再生粗骨料混凝土的研究成果較多，而關(guān)于大摻量且復(fù)摻廢棄橡膠顆粒和再生粗骨料的橡膠再生粗骨料混凝土的研究相對(duì)較少。

本研究以再生粗骨料100%替代天然粗骨料，以廢棄橡膠顆粒替代不超過30%天然細(xì)骨料制備低碳再生混凝土，評(píng)價(jià)低碳混凝土材料的環(huán)境效益，為“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)提供支持。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥：河南省新鄉(xiāng)新星水泥廠生產(chǎn)的P·O42.5水泥；天然粗骨料：5~20 mm連續(xù)級(jí)配碎石；再生粗骨料：最大粒徑為20 mm，壓碎值為14.7%，30 min吸水率為3.00%，24 h吸水率為3.16%，由廢舊混凝土經(jīng)破碎篩分后得到，鄭州心淑建筑材料公司；天然河砂：細(xì)度模數(shù)為2.85；廢棄橡膠顆粒：粒徑1~3 mm，密度為1120 kg/m3，由廢舊輪胎經(jīng)過機(jī)械粉碎、篩選、洗滌、除塵等一系列流程后得到，成都四通橡塑公司；水：自來水；外加劑：冷水速溶聚乙烯醇，2488型，白色粉末，市售。

1.2 試驗(yàn)混凝土配合比設(shè)計(jì)

試驗(yàn)制備了1組普通基準(zhǔn)混凝土，粗骨料全部采用天然粗骨料，細(xì)骨料全部使用天然河砂。按照該配合比進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用再生粗骨料100%等質(zhì)量取代天然粗骨料，廢棄橡膠顆粒等體積分別取代0、10%、20%、30%天然河砂，制備橡膠再生粗骨料混凝土，試驗(yàn)混凝土配合比和混凝土的強(qiáng)度如表1所示。其中Z組為基準(zhǔn)混凝土，R組為普通橡膠再生粗骨料混凝土，P組為改性橡膠再生粗骨料混凝土。R組按普通天然骨料混凝土投料順序進(jìn)行拌制。P組以再生粗骨料30 min吸水量計(jì)算附加水量，預(yù)濕處理再生粗骨料達(dá)到表面潤(rùn)濕的狀態(tài)。聚乙烯醇用量為水泥質(zhì)量的0.1%，將聚乙烯醇粉末加入適量水中慢速攪拌，并靜置2 h使其充分溶脹，溶解為均勻透明的聚乙烯醇溶液。將預(yù)濕的再生粗骨料、廢棄橡膠顆粒等干料加入攪拌機(jī)攪拌，后將配制好的聚乙烯醇溶液和剩余水慢速攪拌加入上述混合物中。

表1 普通基準(zhǔn)混凝土、橡膠再生粗骨料混凝土的配合比及其強(qiáng)度

2 綠色橡膠再生粗骨料混凝土的碳排放分析

2.1 計(jì)算邊界

考慮到橡膠再生粗骨料混凝土應(yīng)用于工程中運(yùn)營(yíng)時(shí)間和使用時(shí)間沒有可參考的數(shù)據(jù)，且橡膠再生粗骨料混凝土再次廢棄后與普通混凝土的拆除、廢棄物運(yùn)輸階段基本相同，基于從“搖籃”至“大門”的系統(tǒng)邊界，共考慮了5個(gè)階段，按照時(shí)間流程分別為：原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸、混凝土制備、混凝土運(yùn)輸、混凝土施工，其中原材料生產(chǎn)階段包括天然材料和再生材料的生產(chǎn)過程，如圖1所示。

2.2 生命周期清單

2.2.1 原材料生產(chǎn)階段

橡膠再生粗骨料混凝土的各種原材料在生產(chǎn)過程中會(huì)產(chǎn)生一定量的CO2，在消耗能源過程中以及材料加工處理過程中均會(huì)有碳排放量，其計(jì)算公式如式（1）所示：

式中：CiCO2——各原材料單位質(zhì)量碳排放量，kgCO2/kg；

mi——各原材料的用量，kg/m3。

根據(jù)文獻(xiàn)[3-5]的混凝土生命周期碳排放量清單以及調(diào)研報(bào)告的數(shù)據(jù)，得到原材料生產(chǎn)階段各原材料單位質(zhì)量碳排放量，如表3所示。

表3 原材料生產(chǎn)階段單位原材料的碳排放量

橡膠的單位質(zhì)量碳排放量參考同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院污染控制與資源化研究國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究數(shù)據(jù)[3-4]，橡膠經(jīng)機(jī)械粉碎進(jìn)行資源化利用階段碳排放為34.05 kgCO2/t，對(duì)應(yīng)的資源化產(chǎn)品碳消減為-849.66 kgCO2/t，凈碳排放量為-815.61 kgCO2/t，負(fù)值代表橡膠資源化階段對(duì)環(huán)境有正面影響且環(huán)境效益較好。由于改性橡膠再生粗骨料混凝土中聚乙烯醇的摻量少，在原材料生產(chǎn)階段碳排放分析中忽略其對(duì)碳排放量的貢獻(xiàn)，改性橡膠再生粗骨料混凝土與普通橡膠再生粗骨料混凝土的碳排放量?jī)H由少量附加水而產(chǎn)生微小的數(shù)值差異。

不同配比混凝土在原材料生產(chǎn)階段的碳排放量如圖2所示。

由圖2可見，在原材料生產(chǎn)階段，未摻橡膠時(shí)再生粗骨料混凝土的碳排放量高于基準(zhǔn)普通混凝土，R0組混凝土原材料生產(chǎn)階段的碳排放量較Z組混凝土高4.70 kgCO2/m3，其原因是，在原材料生產(chǎn)階段，再生粗骨料的生產(chǎn)過程中涉及到廢棄混凝土的破碎、篩分等處理，在此過程中會(huì)有一定的能量消耗，并釋放出一定量的碳，單位再生粗骨料的碳排放量高于天然粗骨料的碳排放量。隨著廢棄橡膠顆粒摻量的增加，橡膠再生粗骨料混凝土原材料生產(chǎn)階段的碳排放量逐漸降低，具體原因?yàn)橄噍^于進(jìn)行焚燒或填埋，對(duì)廢棄橡膠進(jìn)行回收利用制成橡膠顆?？捎行p少碳排放量，其在原材料生產(chǎn)階段單位原材料的碳排放量為負(fù)值，環(huán)境效益良好，橡膠顆粒摻量每增加10%，可使橡膠再生粗骨料混凝土在生產(chǎn)階段減少約22 kgCO2/m3的碳排放量，R30組混凝土原材料生產(chǎn)階段碳排放量較Z組混凝土減少14.56%。

2.2.2 原材料運(yùn)輸階段

除了原材料生產(chǎn)階段有碳排放，生產(chǎn)加工后的各原材料送至橡膠再生粗骨料混凝土攪拌站的運(yùn)輸過程也會(huì)產(chǎn)生不可忽略的碳排放量。各原材料運(yùn)輸距離的長(zhǎng)短是影響原材料運(yùn)輸階段碳排放量的重要因素。不同種類的原材料需從不同生產(chǎn)商運(yùn)輸至攪拌站，所對(duì)應(yīng)的原材料運(yùn)輸距離各不相同。隨著天然砂石資源日趨緊張，城市中心地區(qū)近乎無采石場(chǎng)，天然粗骨料一般都是從較偏遠(yuǎn)的地方運(yùn)輸至攪拌站，以河南省為例，采石場(chǎng)分布在運(yùn)輸路程較遠(yuǎn)的焦作市、平頂山市、洛陽市等的山區(qū)或郊區(qū)。參考肖宇等[5]、龔志起等[6]、孫楠楠[7]對(duì)混凝土制造商的調(diào)查數(shù)據(jù)，設(shè)定天然粗骨料的運(yùn)輸距離為200 km，天然河砂的運(yùn)輸距離為100 km。水泥相對(duì)于天然粗骨料一般較易獲得，設(shè)定運(yùn)輸距離為50 km。再生粗骨料運(yùn)輸距離設(shè)定為50 km，橡膠的運(yùn)輸距離設(shè)定為30 km。聚乙烯醇的摻量少，忽略其在原材料運(yùn)輸階段的碳排放。不同地區(qū)的不同工程運(yùn)輸距離也不一樣，實(shí)際工程中各種原材料運(yùn)輸距離建議根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際情況進(jìn)行調(diào)研后確定。運(yùn)輸過程中，基于參考文獻(xiàn)[4]取重型卡車的運(yùn)輸碳排放為0.111 kgCO2/（km·t），取中型卡車的運(yùn)輸碳排放為0.235 kgCO2/（km·t），具體數(shù)據(jù)見表4。

表4 原材料運(yùn)輸距離及碳排放

原材料運(yùn)輸階段碳排放量計(jì)算公式如式（2）所示：

式中：si——第i種原材料的運(yùn)輸距離，km；

mi——第i種原材料的用量，kg/m3；

dij——第i種原材料采用j種運(yùn)輸方式產(chǎn)生的運(yùn)輸碳排放，kgCO2/（km·kg）。

2.2.3 混凝土制備階段

混凝土在制備階段的碳排放量一般較少，大部分情況下不作為混凝土生產(chǎn)過程碳排放量的主要考慮因素。本文混凝土生產(chǎn)過程中制備階段的碳排放量按9.65 kgCO2/m3計(jì)算[8]。綜上，原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸和混凝土制備都屬于橡膠再生粗骨料混凝土生產(chǎn)階段，將3個(gè)階段的碳排放量累計(jì)得到橡膠再生粗骨料混凝土生產(chǎn)階段的總碳排放量。圖3為普通天然粗骨料混凝土和橡膠再生粗骨料混凝土在原材料生產(chǎn)、原材料運(yùn)輸和混凝土制備階段在混凝土生產(chǎn)過程中的碳排放量及其所占比例。

從圖3可以看出，混凝土生產(chǎn)過程中在制備階段的碳排放量所占比例很小，均在3%以下。對(duì)比分析，橡膠再生粗骨料混凝土原材料生產(chǎn)階段碳排放量占比高于天然粗骨料混凝土，而原材料運(yùn)輸階段占比較天然粗骨料混凝土低。具體原因?yàn)?，一方面，在原材料生產(chǎn)階段，再生粗骨料單位原材料的碳排放量比天然粗骨料的高，橡膠顆粒對(duì)環(huán)境產(chǎn)生正效益的作用可抵消再生粗骨料在生產(chǎn)階段增加的碳排放量。同時(shí)，摻入一定橡膠顆粒會(huì)相應(yīng)減少混凝土中河砂的用量，進(jìn)而減少混凝土原材料生產(chǎn)階段河砂的碳排放量；另一方面，在原材料運(yùn)輸階段，天然粗骨料受材料來源的限制通常有更遠(yuǎn)的運(yùn)輸距離，而再生粗骨料是由廢棄混凝土加工處理制成，可靠近攪拌站選擇加工廠的地址，相對(duì)運(yùn)輸距離較近。

2.2.4 混凝土運(yùn)輸階段

混凝土運(yùn)輸階段碳排放量按式（3）計(jì)算：

式中：s——預(yù)拌混凝土的運(yùn)輸距離，km；

M——預(yù)拌混凝土的總質(zhì)量，kg；

dj——預(yù)拌混凝土采用j種運(yùn)輸方式產(chǎn)生的運(yùn)輸碳排放，kgCO2/（km·kg）。

查閱相關(guān)文獻(xiàn)和統(tǒng)計(jì)報(bào)告，柴油貨車運(yùn)輸過程中的直接碳排放量為89.84 gCO2/（km·t）[9]，預(yù)拌混凝土的運(yùn)輸距離取30 km。本文中混凝土運(yùn)輸階段的碳排放量取7.80 kgCO2/m3[10]。

2.2.5 混凝土施工階段

橡膠再生粗骨料混凝土在施工過程中產(chǎn)生的碳排放量會(huì)因建造的構(gòu)件類型不同而有一定的差異，將柱、梁、板3種構(gòu)件施工過程中的碳排放量相加取平均值作為橡膠再生粗骨料混凝土施工階段的碳排放量，施工過程中的損耗率根據(jù)常見項(xiàng)目工程定額，取經(jīng)驗(yàn)值為±2%，本文中混凝土施工階段的碳排放量取21.50 kgCO2/m3[5，8，10]。

2.2.6 橡膠再生粗骨料混凝土生命周期碳排放量

表5為普通基準(zhǔn)混凝土和橡膠再生粗骨料混凝土生命周期的總碳排放量。由于聚乙烯醇改性橡膠再生粗骨料混凝土生命周期碳排放量與未改性橡膠再生粗骨料混凝土相差不大，因此未對(duì)改性橡膠再生粗骨料混凝土生命周期碳排放量進(jìn)行對(duì)比計(jì)算。

表5 普通基準(zhǔn)混凝土和橡膠再生粗骨料混凝土生命周期總碳排放量 kgCO2/m3

由表5可見，普通天然粗骨料混凝土的碳排放量最高，為523.83 kgCO2/m3。在再生粗骨料取代率為100%的情況下，廢棄橡膠顆粒摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)，橡膠再生粗骨料混凝土生命周期總碳排放量隨橡膠顆粒摻量的增加而減少，分別為普通天然粗骨料混凝土的93.21%、88.88%、84.57%和80.24%。其主要原因是，原材料生產(chǎn)階段和原材料運(yùn)輸階段的數(shù)據(jù)有一定差異。橡膠在原材料生產(chǎn)階段單位原材料的碳排放量為負(fù)值，環(huán)境效益良好。此外，再生粗骨料可由當(dāng)?shù)貜U棄混凝土加工制成，其來源受地域限制程度小，再生粗骨料的運(yùn)輸碳排放量較天然粗骨料的也有較顯著的減小。

分析各階段碳排放量占比，普通天然粗骨料混凝土原材料生產(chǎn)階段碳排放量占生命周期總碳排放量的80.50%，原材料運(yùn)輸階段碳排放量占生命周期總碳排放量的12.06%。在再生粗骨料取代率為100%的情況下，廢棄橡膠顆粒摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)，橡膠再生粗骨料混凝土原材料生產(chǎn)階段碳排放量分別占生命周期總碳排放量的87.32%、86.84%、86.31%和85.72%，原材料運(yùn)輸階段碳排放量相對(duì)較少，分別占生命周期碳排放總量的4.70%、4.79%、4.90%和5.01%。

3 結(jié)論

（1）再生粗骨料和廢棄橡膠顆粒摻入混凝土中能減少混凝土生命周期的碳排放量，再生粗骨料替代率為100%，廢棄橡膠顆粒摻量分別為0、10%、20%和30%時(shí)，橡膠再生粗骨料混凝土的碳排放量分別為普通天然粗骨料混凝土的93.21%、88.88%、84.57%和80.24%。

（2）普通天然粗骨料混凝土在原材料生產(chǎn)階段的碳排放量和原材料運(yùn)輸階段的碳排放量分別占生命周期總碳排放量的80.50%和12.06%。再生粗骨料替代率為100%，廢棄橡膠顆粒摻量增加至30%時(shí)，原材料生產(chǎn)階段碳排放量占比增加至85.72%，原材料運(yùn)輸階段碳排放量占比減少至5.01%。

（3）橡膠再生粗骨料混凝土碳排放量隨橡膠顆粒摻量增加而降低，每增加10%摻量的橡膠顆粒，可使橡膠再生粗骨料混凝土在生產(chǎn)階段碳排放量減少約22 kgCO2/m3。原材料生產(chǎn)階段橡膠顆粒單位原材料的碳排放量取值為負(fù)值，環(huán)境效益良好。

（4）改性橡膠再生粗骨料混凝土在聚乙烯醇摻量較小的情況下，可忽略聚乙烯醇改性對(duì)碳排放量的貢獻(xiàn)，在確?；炷粱玖W(xué)性能的前提下，實(shí)現(xiàn)混凝土生產(chǎn)的綜合效益最大化，具有減少生命周期碳排放量的潛力。