基于生命周期理论的再生混凝土环境影响评价及经济性分析

基于生命周期理论的再生混凝土环境影响评价及经济性分析

[Summary]为了减缓混凝土生产过程中的二氧化碳过度排放，低碳环保成为水泥混凝土产业发展的必然方向。据有关部门测算，截至2020年，C&D堆存总量已达到200亿吨左右，增量每年35亿吨左右，其中，废弃混凝土所占比例最高，占30%以上[1]。据统计，全球混凝土制造产生的碳排放占全球总碳排放的5%[2]。使用矿物掺合料（SupplementaryCementitiousMaterial，简称SCM）部分代替水泥制作混凝土，既可以实现工业废渣的资源化利用，同时降低了混凝土的碳排放，是混凝土低碳化及可持续发展方式之一。国内外对于其环境影响以及经济效益的研究却比较少。为了改善由再生混凝土引起的环境影响问题，实现环境与经济的协调发展，本文对再生混凝土进行生命周期评价以及生命周期成本分析。[Keys]

再生混凝土

生命周期理论

可持续发展引言伴随着城市更新、旧城改造，我国城市化进程不断加快，城市规模不断扩大，全国各地砂石骨料供给相继告急且混凝土制造排放了大量废弃，为了实现建筑的可持续发展，尤其是环境和经济的可持续发展，回收利用固体废弃物，并在生产生活中利用“3R”原则，节约资源，并大量消纳C&D，提高利用率，减少资源能源浪费，减少环境污染刻不容缓[3]。本研究主要针对我国固体废弃物资源化利用的特点，将建筑和拆除废物（C&D）化作再生骨料生产再生混凝土，采用LCA和LCCA对再生混凝土的环境影响及经济效益进行综合分析。结合再生混凝土的力学及耐久性实验结果，分析并计算单位体积不同配合比下再生混凝土在生产过程中能源及资源消耗、环境影响及经济效益，利用多标准决策方法找出力学性能好、环境排放低、经济成本低的再生混凝土优化配合比设计方法，为企业改进生产工艺，节约资源和能源，减少污染排放，节省成本提供重要参考。针对再生混凝土应用于建筑结构上研究较少的问题，进一步分析将再生混凝土应用于建筑结构上的环境影响及经济效益，为推广再生混凝土在建筑结构上的使用提供依据，并为建筑利益相关者提供一种新的优先选择材料的方法，从而促进C&D回收利用的可持续性。再生自密实混凝土概况再生自密实混凝土是在自密实混凝土的基础上利用建筑物废弃拆除后的混凝土废料经过破碎、筛分后部分替代砂石等天然资源，可以减少对天然资源的开采，解决建筑垃圾堆存问题。同时，目前再生骨料生产主要采取固定式建筑垃圾处理厂和移动式建筑垃圾处理设备两种方式，而移动式处理设备能够运至拆除现场进行现场破碎，有效减少二次运输产生的环境污染和资源浪费，实现资源、环境、经济三重效益。2.再生自密实混凝土生命周期评价2.1目标与范围确定本研究采用生命周期评价的目的是量化分析1m³掺入粉煤灰等矿物掺合料和再生粗骨料的再生自密实混凝土环境性能，量化各种材料以及工艺对环境的影响，从而确定关键材料、关键过程及敏感度，找出再生自密实混凝土环境性能表现良好的配合比设计，为后续再生自密实混凝土的环境友好型设计提供依据。本研究选用“从摇篮到大门”（cradletogate）的系统边界模型，量化分析包括原材料生产、运输、混凝土生产等过程的环境负荷。2.2结果解释再生自密实混凝土三类终点环境影响占比基本一致，因此，取其平均值作横向对比，再生自密实混凝土对人类健康受损影响程度最大，达到37.1%，这是因为混凝土在生产过程中产生了大量大气污染物。其中CO2和NOX占据了较大比重，CO2作为典型的温室气体对气候变化具有较大影响，NOX作为常见大气污染物，会刺激呼吸器官，引起急性毒作用和慢性毒作用，影响和危害人体健康；资源能源消耗也占据了相当大的比重，达到34.7%，其中影响最大的是石灰石等矿石资源的消耗。占比较小的是对生态系统的破坏，占比28.1%。生态系统遭受破坏主要在于各种原材料生产过程中NOX排放，排入大气中的NOX会与空气中的水结合，进而形成酸雨，并通过雨水汇入江河湖泊，造成水体的富营养化。2.3结果分析再生自密实混凝土中辅助胶凝材料以较高的原材料单价占总成本的41.7%~53.7%。对比发现，随着矿物掺合料替代率的提高，总成本下降，主要在于矿物掺合料单价低于水泥，其中单掺粉煤灰由于其成本最低，会获得最好的经济效益。此外，随着再生骨料替代率提高，再生自密实混凝土成本下降5%~10.2%，其一在于再生粗骨料较天然粗骨料成本较低，其二因为再生粗骨料具有运输距离优势。2.4基于DEA的再生自密实混凝土优选考虑再生自密实混凝土的生命周期成本和环境影响、力学性能、耐久性能、工作性能，对其进行无量纲化并同趋势化处理，基于DEA多目标决策方法在MATLAB软件中进行编程计算，得到再生自密实混凝土配合比设计方案的优选结果。图DEA交叉评价模型计算结果对比100-50-Z和100-75-Z两个系列，100-75-Z系列由于矿物掺合料掺量较高，导致其环境影响和经济成本较小，但也降低了混凝土的抗压强度，此外耐久性能也由于矿物掺合料掺量过大，有效水灰比增大，而对干燥收缩不利。对比100-50-Z和50-75-Z两个系列，其环境影响、经济成本相差不大，但100-50-Z系列在力学性能和耐久性能方面具有一定的优势。在100-50-Z系列中，相较于100-50-1，100-50-2由于矿粉自身大气排放输出较高、运输距离较长、原材料成本较高，在环境影响和经济成本方面存在略微劣势，但矿粉的加入降低了浆体孔隙间的流通性，阻止毛细孔水分过多蒸发，从而有效降低了混凝土的干燥收缩[1]。相较于100-50-3，100-50-2由于缺少硅灰带来的协同效应导致抗压强度较小，但同时也由于硅灰自身大气排放输出较高、运输距离较长、原材料成本较高，活性高，对混凝土的收缩会产生不利影响，100-50-2的环境影响、经济成本和耐久性能较小。3.结论采用再生粗骨料代替天然粗骨料可以降低运输时的环境负荷；采用粉煤灰代替水泥，也能减少运输时的环境负荷；采用粒化高炉矿渣粉和硅灰代替水泥相比于粉煤灰会增加运输的环境负荷；对环境影响最大的关键影响材料是水泥和再生粗骨料，主要原因在于水泥生产过程中释放了大量CO2等有害气体且在混凝土制作过程中用量巨大；再生粗骨料是除水泥外影响最大的材料，但由于其运输距离较短，其运用在环境影响方面具有优势；再生粗骨料以及辅助胶凝材料的运用具有显著的价格优势。Reference[1]田金枝.建筑垃圾生产再生骨料的综合效益分析[D].重庆大学,2019.[2]章玉容.粉煤