高性能再生混凝土环境协调性评价＊

尹 健，邹 伟，2，池 漪

(1.中南大学土木工程学院，湖南长沙410075;2.湖南中大设计院，湖南长沙410075)

混凝土材料自从问世以来，极大地推动了社会文明的进步，然而也带了许多的环境问题，例如:大量资源与能源的消耗以及三废的大量排放。目前，国内外对混凝土占用大量自然资源及对环境的负面影响已开展了大量研究，并由此引发了可持续发展的广泛讨论［1－2］。吴中伟于1997年3月在“高强、高性能混凝土会议”上提出了“绿色高性能混凝土”(GHPC)的概念，并提出将其作为今后混凝土的发展方向。其“绿色”的三大含义为:(1)节约资源、能源;(2)不破坏环境，更应有利于环境;(3)可持续发展，既可满足当代人的需求，又不危害后代人满足其需要的能力。而高性能再生混凝土的提出，正是符合这一目标的绿色建材，其在改善混凝土材料的性能同时，着重注意废弃物的利用以及减少其环境负荷影响。

本文运用生命周期评价(LCA)方法［3－4］，按照ISO14040系列标准［5］，对所配制的HPRAC，RAC及NC进行分析计算，确立一种有效评价混凝土材料环境协调性的量化模式，可以为绿色混凝土材料的发展与应用提高必要的理论依据，同时为推动再生混凝土在大规模工程应用和在商品化再生混凝土水平上实现根本性的突破提供技术支持。

1 试验材料与混凝土配制

1.1 试验材料

水泥(C):湖南宁乡南方水泥有限公司生产的P·O42.5级水泥，其密度为3.13 g/cm2;水泥胶砂的3，28 d抗折强度分别为5.30，8.20 MPa，3，28 d抗压强度分别为24.2，45.8 MPa;粉煤灰(FAⅠ):湘潭电厂风选Ⅰ级粉煤灰，密度为2.35 g/cm2，45 μm方孔筛筛余量9%;硅灰(SF):贵州遵义硅铁合金厂生产的微硅灰，密度为2.11 g/cm2，比表面积为20 000 m2/kg;砂(S):湘江河砂，细度模数2.8，符合Ⅱ区级配要求;减水剂(SP):东莞市伍山建材实业有限公司生产的WSN－30型缓凝高效减水剂;天然骨料(NA):碎石，级配符合5～26.5 mm的连续级配要求，相关性能见表1;再生骨料(RA):长益高速公路路面养护废弃的混凝土(原生混凝土的粗骨料为卵石)，先经人工破碎成中等尺寸，然后用颚式破碎机破碎成小颗粒，并过筛，其级配符合5～26.5 mm的连续级配要求，相关性能见表1;水(W):自来水。

1.2 混凝土试验配合比及测试结果

优选后的天然碎石骨料混凝土(NC)、普通再生混凝土(RAC)以及高性能再生混凝土(HPRAC)的具体配合比参数及性能见表2。

2 高性能再生混凝土环境协调性评价

2.1 确定边界条件

以HPRAC，RAC以及NC为研究对象进行LCA分析，假定其边界条件为:(1)3种类型混凝土28 d抗压强度基本一致，即研究对象均具有相同强度;(2)评价功能单位以1 m3混凝土计量;(3)评价周期从水泥生产开始至混凝土制成为止，不考虑能源生产环节对环境的影响;(4)与生产设备、建筑设施相关的环境污染不予考虑。

2.3 清单分析

2.3.1 水泥生产的环境负荷

清单分析(life circle inventory，简称LCI)主要在于确定混凝土生产各有关子系统的环境数据，包括该系统中各种物料及能源输入的量和向环境中所排放废弃物的输出量。本章涉及到的公用系统的环境数据［6］见表3和表4。表中的电力生产的污染物数据是根据我国的发电能耗(以标准煤计)/kwh的平均值0.424 kg计算。另外，CO2的生成量按原煤固定碳含量的50%计算，原煤按20%计算。

表1 粗骨料基本性能试验结果Table 1 Properties of coarse aggregates

表2 混凝土配合比及性能Table 2 Mix proportion and properties of concrete

表3 公用系统环境数据Table 3 Common environmental data system kg

表4 硅酸盐水泥寿命周期过程的环境影响基础数据Table 4 The basic data of portland cement during the life cycle environmental impact kg

通过表3～4数据，可以计算出制造1 t水泥并考虑运输到混凝土配制地点时的环境影响评价的基础数据.参照文献［6］，考虑每1 t水泥的资源消耗为:石灰石1.3 t，黏土0.3 t，石膏50 kg，其他不予考虑，并且不考虑工业废渣或工业废料的再生利用。其中，原料开采的运输距离为5 km，而水泥成品的运输距离为30 km，其计算结果见表5。

2.3.2 混凝土配制过程的环境负荷

混凝土配制过程中引起环境负荷因素包括粗集料、细集料、拌制过程以及水泥等材料，水和减水剂在此不予考虑。天然粗骨料、细骨料统一采用表4中的原料开采的环境负荷数据，即13.89kwh/t［7］，再生粗骨料及混凝土生产分别耗电约13.75和2 kwh/m3。废弃混凝土处理方式按将废弃混凝土运送至20 km进行回填，并以此作为再生粗集料的环境负荷的减少量;可利用的再生粗骨料按废弃混凝土的65%计算［8］。基于现有的研究成果［6，9－10］，高性能再生混凝土Ⅰ级粉煤灰的掺量按20%计算，粉煤灰的系统特征掺量Cm取为1.07，硅粉的协同特征掺量可按粉煤灰的1.2倍计算，即为1.284。从而可以计算出混凝土配制过程中各种因素引起的环境负荷，其具体结果如表6所示。

表5 生产1 t水泥所形成的环境负荷数据Table 5 The environmental load data of production of1 ton of cement kg

表6 混凝土制造过程中的环境负荷数据Table 6 The environmental impact data ofmanufacturing process of concrete

2.3.3 高性能再生混凝土LCA评价分析

根据表2中3种类型混凝土配合比，以及表5生产1 t水泥所得的环境负荷数据和表6混凝土在制造过程中的环境负荷数据可以对NC，RAC及HPRAC(按1 m3混凝土)进行环境影响清单分析(LCI)，其计算结果如表7所示。

2.4 生命周期环境影响分析与评价

2.4.1 分类

环境影响评价(impact assessment，简称IA)是生命周期评价的第3步，它在清单分析的基础上，把评价系统中的各种输入和输出参数转化成定量或半定量的指标来表征系统对环境造成的影响。影响评价主要针对生态平衡、人体健康、环境安全、资源或能源消耗等对象进行评价分析。因此在进行环境影响评价之前则应该根据LCI数据将上述3种混凝土对环境的影响类型进行分类，通常划分为7类，见表8。

2.4.2 特征化

特征化，主要是要开发一种模型，这种模型可以将LCI提供的数据和其他辅助数据，转变成描述环境影响的专用指标。目前，国际上使用的特征化模型主要有3种:(1)负荷模型;(2)当量模型;(3)固有化学特性模型.本文采用当量模型，这类模型使用当量系数来汇总LCI所提供的数据，例如，0.7kg NOx相当于1kg SO2产生的环境酸化的潜力。当量模型的前提是汇总的当量系数可以用来度量潜在的环境影响，因此各环境指标都是以参照物的总量表示，可称为环境污染当量数，常见污染物对应的环境影响当量见表9。

表7 NC，RAC和HPRAC的LCI数据总汇Table 7 The LCI data of NC，RAC and HPRAC

表8 混凝土环境影响分类Table 8 Concrete environmental impact categories

并以此作为基础，根据表7的LCI数据可以计算各混凝土的相关环境影响的当量数。其中，EDP的计算可以参照表3中的换算关系，将电耗以及油耗转换成相应的煤耗以后再进行当量数的计算。由于表9中没有固体废物的数据，所以对于表7中的粉尘废物列中的固体废弃物考虑为0，其他的则按水泥生产产生的粉尘计算。

2.4.3 标准化

为实现最终结果的单一表示，必须将各环境指标的量纲统一化，此时可以用某一种产品的环境污染当量数与整个研究范围内相应环境污染总当量的比值表示［11］，即为该产品的环境污染相对指数，其计算公式如下:

环境影响的世界当量总数见表10所示。

因此，结合上述表7、表9～表10，可以计算出各组混凝土的相关环境影响和当量数，并按式(1)可以计算出每种混凝土的污染相对指数，计算结果见表11。

表9 常见污染物对应的环境影响当量数Table 9 Common environmental pollutants equivalent number of corresponding

表10 环境影响的世界当量总数Table 10 The total number of equivalent environmental impact of the world

表11 各混凝土相关环境影响、当量数及相对指数Table 11 Concrete relevant environmental impact indicators

表12 混凝土LCA评估权重系数Table 12 Weight coefficient of LCA on concrete

2.4.4 环境综合指数计算

在一种材料的生命周期里，它不断地与环境发生交流与联系，从而对周围的环境产生各种影响，除了资源、能源的消耗以及三废的排放以外，还有诸如酸雨气体效应、温室气体效应、电磁波污染、光污染和有机挥发物等影响。然而材料对环境的每一种影响因素的计量单位以及重要程度都不尽相同，故为了实现量化，使评价结果具有可比性，通常采用根据材料对环境影响的重要程度进行有关的加权与分级。根据材料LCA环境影响评估(IA)方法，对混凝土LCA评估的环境综合指数E可按下式计算:

本文混凝土材料对环境影响的权重系数参考文献［12］中的数据，具体见表12。

按照式(2)以及表11～表12的数据可以计算各组混凝土(1 m3)的环境综合指数，计算结果如下:

从表8混凝土的LCI数据可以看出，混凝土中使用再生骨料以及活性工业废渣可以明显降低混凝土的环境负荷，特别是在能源以及石灰石的消耗方面。RAC的不可再生资源消耗仅为 NC的54.9%，而HPRAC的不可再生资源消耗仅为NC的51.2%。从环境综合指数来看，其大小依次为: HPRAC＜RAC＜NC。HPRAC的综合环境指数E为10.460×10－12年，其相比RAC降低了11.6%，相比NC降低了36.6%。这说明，在28 d龄期抗压强度基本相同条件下，再生混凝土环境负荷减小，并且高性能再生混凝土减少更为明显。

3 结论

(1)使用生命周期评价(LCA)方法可以很好地对混凝土的制造过程中的环境影响进行评价;环境综合指标E可以作为定量评价不同材料对环境影响的评价指标.

(2)环境综合指数E的研究结果表明:研究采用的3种混凝土，其环境综合指数E的影响顺序为:HPRAC＜RAC＜NC。HPRAC的综合环境指数E为 10.460×10－12年，其相比 RAC降低了11.6%，相比NC降低了36.6%。这说明，在28 d龄期抗压强度基本相同条件下，再生混凝土环境负荷降低明显，而高性能再生混凝土则显著降低了环境负荷。

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