稻壳灰水泥砂浆环境影响评价

邢珊珊，董 莪，刘杰胜，余媛媛，左 洁

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

稻壳灰水泥砂浆环境影响评价

邢珊珊，董 莪，刘杰胜，余媛媛，左 洁

(武汉轻工大学 土木工程与建筑学院，湖北 武汉 430023)

采用生命周期评价方法，对普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆的生产和使用阶段对环境的影响负荷进行分析。结果表明，稻壳灰水泥砂浆中稻壳灰取代部分水泥，水泥的用量减少，石灰石消耗值ADP也随之减少，同时，稻壳灰作为农业生产的废弃物再次被使用，所需的能源消耗相对于水泥较低。

生命周期评价方法；稻壳灰水泥砂浆；能源消耗

1 引言

作为农业生产废弃物的稻壳，焚烧后变成稻壳灰，本文中笔者所用稻壳灰是稻壳经立式高温炉煅烧制备。稻壳灰中含有90%左右的二氧化硅，低温煅烧的稻壳灰中二氧化硅为无定形态。以往的研究结果表明[1-7]，稻壳灰对水泥和混凝土的性能起到明显改善的作用。

生命周期评价(Life Circle Assessment)，简称LCA，是一种对环境问题进行评价、分析及解决的评价方法，当下在全球范围内广泛用于评估材料的环境影响[8]，并且是IS014000的标准系列之一。LCA的技术框架涵盖目标和范围的确定、编目分析、影响评价和改造评价4个阶段[9-10]。

依据LCA方法，笔者从原材料的开采及使用过程的消耗量及污染物排放两个角度对稻壳灰水泥砂浆的环境影响进行评估，明确稻壳灰水泥砂浆生命周期环境负荷，为稻壳灰水泥砂浆的经济效益评价提供数据支持。

2 LCA研究方法

LCA方法包含以下四个阶段。(1)确定目标范围：确定评价对象、原因和结果的输入输出方式。(2)编目分析LCI：对研究对象的数据进行收集、分类、整理和量化。(3)影响评价IA：评价各种环境影响对自然环境造成的总体严重程度。(4)改造评价:确定各个阶段研究对象对环境产生的影响，作出结论，并给出改进措施。

笔者主要研究了ADP(不可再生资源消耗)、EDP(能源消耗)、GWP(温室效应)、AP(酸化效应)、HCA(人体健康损害)、NP(富营养化)和POCP(光化学烟雾)这七种环境影响类型[11]。文中所用数据包括现场及背景数据，前者经现场调研获得，后者以国内外公开数据库为依据选取[12-14]。

3 稻壳灰水泥砂浆LCA评价

3.1 目标的确定

应用LCA方法，对比分析普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆在生命周期中不同阶段的环境负荷因素。

3.2 确定目标范围

研究对象：普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆，二者28天龄期强度接近。

评价周期：水泥的生产制造和水泥砂浆的配制阶段。

评价功能单位：1 m3的水泥砂浆。

施工设备及配套设施的环境影响不考虑。

3.3 编目分析

3.3.1 水泥生产的环境负荷

编目分析拟采用公用系统环境数据[15](对普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆进行对比)见表1和表2，以1 m3砂浆为功能单位对水泥砂浆进行LCA汇总计算。

表1 公用系统环境数据统计表[15]

生产过程能源消耗CO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg废弃物/kg电力/kwh标煤0．424kg，0．0124GJ0．9384．0E-57．2E-55．1E-31．1E-30．1023运输/(5t/km)柴油0．2L，0．00714GJ0．6732．0E-31．1E-34．7E-31．4E-4—原煤/1t电力13．89kwh——————

表2 水泥生产制造阶段环境数据统计表[15]

生产过程能源消耗电力/kwh煤耗/kgCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg废弃物/kg原料开采/1t13．89———————水泥制造/1t123．3204．48851．15E-22．73E-21．5330．35440水泥砂浆配制/m32———————

依据相关统计数据，不考虑工业废渣再生利用，1 t水泥的资源消耗为：黏土0.3 t，石灰石1.3 t，石膏50 kg[14]。为简化运算过程，假设施工中由5 t柴油车开展运输工作，水泥运输5 km，砂浆生产原料运输30 km。施工设备及配套设施的环境影响不予考虑。

3.3.2 水泥砂浆配制过程的环境负荷

水泥及砂浆生产及制造过程环境负荷数据如表3、表4所示。

表3 1 t水泥生产过程中的环境负荷数据

过程消耗资源电耗/Kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg废弃物/kg不可再生资源/kg原料开采石灰石1．3t18．06—————————黏土0．3t4．17—————————石膏50kg0．69—————————运输5km——0．330．1113．30E-31．82E-37．76E-32．24E-4——水泥制造水泥1t123．30204．48851．15E-22．73E-21．53E+03．45E-1401650运输30km——1．20．40381．20E-26．60E-32．82E-28．16E-4——1t水泥总计146．22204．41．53885．522．68E-23．57E-21．57E+03．46E-1401650

表4 水泥砂浆制造过程中的环境负荷数据

消耗资源电耗/Kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg粉尘废物/kg不可再生资源/kg砂1t13．89————————1000水泥1t146．22204．401．53885．512．68E-23．57E-21．57E+03．46E-1401650稻壳灰1t78．23109．350．82473．751．43E-21．91E-28．39E-11．85E-121883砂浆制造2．00—————————

水泥砂浆在制备过程中引起的环境负荷因素主要包括原材料的开发和配制过程，其他环境负荷不予考虑。砂、水泥等原材料生产的环境负荷统一采用表2中的数据。

3.3.3 稻壳灰水泥砂浆LCA评价分析

根据表3和表5的数据，对普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆进行评价分析，即编目分析阶段(LCI)，其计算结果如表6所示。

表5 1立方米水泥砂浆配合比 /kg

表6 水泥砂浆LCI数据汇总

生产过程及消耗电耗/kwh煤耗/kg柴油/LCO2/kgCO/kgCxHy/kgNOx/kgSO2/kg粉尘废物/kg不可再生资源/kg普通水泥砂浆C⁃67798．99138．381．04599．491．81E-22．42E-21．062．34E-127．081117．05S⁃135418．81000000001354运输300．0002．277．632．27E-21．25E-25．3E-21．54E-300制造2．00000000000总计119．80138．383．31607．124．08E-23．67E-21．122．36E-127．082471．05稻壳灰水泥砂浆C⁃62391．10127．349．53E-1551．671．67E-22．22E-29．78E-12．16E-124．921027．95S⁃135418．81000000001354A⁃544．225．904．43E-225．587．72E-41．03E-34．53E-29．99E-31．1347．68运输30002．277．632．27E-21．25E-25．30E-21．54E-300制造2000000000总计116．13133．253．27584．894．02E-23．58E-21．082．27E-126．052429．63

注：表中单位质量为kg，距离为km。

3.4 环境影响分析与评价

(1)分类： 本文影响评价主要从资源或能源消耗、生态平衡、环境安全及人体健康等方面来进行分析评价。

(2)特征化： 以国际上使用的当量模型作为特征模型建模，以当量系数的形式对LCI数据进行汇总[16]。表7为常见污染物的具体环境影响当量数数据。

(3)标准化： 将各种环境影响指标统一处理，从而方便数据的比较和分析，拟采取环境污染相对指数来表示，即一种环境污染当量数与相应环境污染总当量数的比值[15]，计算公式如下：

(1)

表8给出了环境影响的具体世界污染当量总数，表中的世界污染总当量数表示在一年内，全球能耗及污染物排放总量。

表7 常见污染物的环境影响当量数[16]

环境影响EDP(能量值)/(MJ/kg)GWP(1kgCO2)/(kg/kg)AP(1kgSO2)/(kg/kg)HCA(1kg人体)/(kg/kg)NP(1kgPO43+)/(kg/kg)POCP(1kg乙烯)/(kg/kg)CO———0．012——CO2—1————SO2——11．2——NOx—3．200．70．780．013—烟尘———0．062——粉尘———0．063——CxHy—————0．398标煤29．308—————

表8 环境影响的世界污染当量总数[15]

环境影响单位世界污染总当量HCAkg1012/年908ADPkg1012/年120EDPGJ109/年235GWPkg1012/年37．7NPkg109/年74．8POCPkg109/年3．74APkg109/年286

结合表6、表7和表8，按公式1可以计算出普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆的各种环境影响当量指标及相对指标，具体结果见表9。

(4)相对权重： 采用层次分析方法，对水泥砂浆的功能性进行权重分析。综合考虑水泥砂浆生产使用过程中各种指标的影响，确定水泥砂浆各种环境指标的重要性标度，详见表10。

表9 水泥砂浆环境影响当量数及相对指数

环境影响分类相关污染物参照物普通水泥砂浆稻壳灰水泥砂浆当量指标/kg相对指标/10-12y当量指标/kg相对指标/10-12yADP石灰石消耗1kg石灰石2471．0520．592429．6320．25EDP能源消耗1GJ3．3314．172．9112．38GWPCO21kgCO2965．5225．61930．4924．68APSO2、NOx1kgSO21．023．579．83E-13．44HCACO、NOx、SO2、粉尘1kg人体2．863．15E-032．763．04E-3NPNOx1kgPO43+1．46E-021．95E-011．40E-021．88E-01POCPCxHy1kg乙烯1．46E-023．911．42E-023．81

表10 水泥砂浆环境指标的重要性标度汇总表

类别ADPEDPGWPAPHCANPPOCPADP1237565EDP1/2124535GWP1/31/215323AP1/71/41/511/31/61/3HCA1/51/51/3311/21NP1/61/31/26212POCP1/51/51/3311/21

因此可得矩阵方程：

=λω

首先，计算特征向量ω，根据方根法求解，计算各行元素的几何平均值，并归一：

其次，为判断以上特征向量是否为合理的权重分配，需要进行一致性检验：计算判断矩阵的最大特征值λmax。

此处n指矩阵的阶数，n=7，因此平均随机一致性指标R.I=1.36。

一致性指标：

计算一致性比例：

因此，可以确定相对权重，详见表11。

最后，计算各种环境影响强度值：

Q=α·β

(2)

式中：Q—环境影响强度值；

α—环境影响指标相对权重系数；

β—环境影响因素的相对指标。

计算结果整理为表12。在水泥生产和水泥砂浆的使用过程中，石灰石消耗ADP、电耗EDP、煤耗GWP、油耗POCP四项环境影响指标的环境影响强度相对显著，其余指标强度较小。七类环境影响指标的环境影响结果程度显示，稻壳灰水泥砂浆ADP值7.369 9是普通水泥砂浆的98.3%；EDP值2.922 4是普通水泥砂浆的87.3%；GWP值3.800 9是普通水泥砂浆的96.4%。分析可知：稻壳灰的掺量越大，水泥砂浆生产制备过程中水泥的用量越少，石灰石消耗值ADP也随之减少。同时，稻壳灰作为农业生产的废弃物再次使用，所需的能源消耗比水泥低，对减少水泥砂浆系统和农业废弃物系统的环境负荷越有利。

表11 七类环境影响指标相对权重系数

环境影响分类ADPEDPGWPAPHCANPPOCP权重系数0．3640．2360．1540．0290．0600．0980．060

表12 七类环境影响指标的环境影响强度

环境影响分类ADPEDPGWPAPHCANPPOCP综合/y-12普通水泥砂浆7．49553．34423．94400．10340．00020．01910．234315．1407稻壳灰水泥砂浆7．36992．92243．80090．09970．00020．01840．228614．4400

4 结论

采用LCA方法对普通水泥砂浆和稻壳灰水泥砂浆的环境影响负荷进行分析研究，结果表明：(1)石灰石消耗、电耗、煤耗和油耗四项指标值较大，影响比较明显，其他几项环境影响指标强度较小。(2)稻壳灰水泥砂浆ADP值7.369 9，是普通水泥砂浆的98.3%；EDP值2.922 4，是普通水泥砂浆的87.3%；GWP值3.800 9，是普通水泥砂浆的96.4%。(3)稻壳灰水泥砂浆中用稻壳灰取代部分水泥，水泥的用量减少，石灰石消耗值ADP也随之减少。

[1] 庄一舟,郑海彬,季韬,等.自制低温稻壳灰的火山灰活性及配置UHPC的强度研究[J].福州大学学报(自然科学版),2013,01:88-92.

[2] 李振国,张亚芬,王小鹏,等.掺纳米SiO_2/稻壳灰/粉煤灰水泥基材料性能的试验研究[J].硅酸盐通报,2013,06:1017-1021.

[3] 程小伟,王升正,时宇,等.稻壳灰对油井水泥性能的影响及作用机理初探[J].硅酸盐通报,2015,08:2171-2176.

[4] 邢珊珊,董莪,刘杰胜.稻壳灰水泥砂浆的制备及其性能研究[J].砖瓦,2016,03:15-16.

[5] 余景良.稻壳灰不同掺量对混凝土性能影响测试与比较研究[J].硅酸盐通报,2016,04:1287-1291，1326.

[6] 马聪,高义,范明星,等.稻壳灰改性铝酸盐水泥的试验研究[J].哈尔滨工程大学学报,2016,07:986-989.

[7] 邢珊珊，董莪，刘杰胜.低温稻壳灰水泥砂浆制备及性能研究[J].武汉轻工大学学报，2016(4)：58-60，87.

[8] 高长明.水泥混凝土生命周期环境评价[J].水泥:2002,(11):11-15．

[9] 杨建新,王寿兵,徐成.生命周期清单分析中的分配方法[J].中国环境科学:1999,19(3):285-288．

[10]GuggemosAA,HorvathA．ComparisonofenvironmentaleffectsofSteelandconcreteframedbuildings[J].JournalofInfrastructureSystems：2005，11(2):93-101．

[11] 邓南圣,王小兵.生命周期评价[M].北京:化学工业出版社,2003.

[12] 狄向华.材料环境协调性评价的标准流程方法研究[D].北京:北京工业大学,2001.

[13]GoedkoopM,SpriensmaR.Theeco-indicator99:Adamageorientedmethodforlifecycleimpactassessment:Methodologyreport[R].Amersfoort,2001.

[14]RebitzeraG,EkvallbT,TrischknechtR,etal.LifecycleassessmentPart2:CurrentimpactassessmentPractice[J].EnvironmentalInternatio-nal, 2004,30(5): 721-739.

[15] 刘江龙.材料的环境影响评价[M].北京:科学出版社,2002.

[16] 邹伟.高性能再生混凝土耐酸雨侵蚀性能研究及环境协调性评价[D].长沙:中南大学,2011.

[17] 龙永红.概率论与数理统计[M].北京:高等教育出版社,2009.

Environmental impact assessment of rice husk ash cement

XINGShan-shan，DONGE，LIUJie-sheng，YUYuan-yuan，ZUOJie

(School of Engineering and Architecture，Wuhan Polytechnic University，Wuhan 430023，China)

In this paper, the life cycle assessment method is used to analyze the environmental impact load of ordinary cement mortar and rice husk ash cement mortar during the production and use phase. The research results showed that with the replacement of some cement in rice husk ash mortar, cement dosage decreased, and the consumption of limestone ADP decreased, too. At the same time, rice husk ash was used for waste recycling of agricultural production, and the energy consumption was lower than that of cement.

life cycle assessment method; rice husk ash cement mortar; energy consumption

2016-12-10.

邢珊珊(1994-)，女，硕士研究生，E-mail:2427213669qq.com.

刘杰胜(1980-)，男，副教授，E-mail:ljs628@163.com.

2095-7386(2017)01-0061-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2017.01.013

TU 522

A