配合比设计方法对再生混凝土生命周期评价的影响

章玉容，徐雅琴，姚泽阳，王龙龙

(1. 浙江工业大学 土木工程学院，浙江 杭州 310023；2. 杭州市商贸旅游集团有限公司，浙江 杭州 310003)

混凝土是最主要的建筑材料，预计2050年全球混凝土的需求量将上升至180 亿吨[1]，由此导致了巨大的骨料需求，2015年的全球骨料消耗量约为483 亿吨[2]。如此巨大的砂石骨料需求量，必然导致大量的山石开采而造成砂石资源的逐渐枯竭，故建筑业的可持续发展与骨料短缺的矛盾将日益突出。以废弃混凝土经破碎、清理和分级等程序并按一定级配混合后形成的骨料来生产再生混凝土，不仅可以减少天然骨料的开采量，还可以减少废弃混凝土填埋对土地的永久占用以及相应的环境污染。近年来，许多国家与地区颁布了再生混凝土结构设计规划和应用技术指南，用于指导再生混凝土的工程应用[3-7]。

目前，国内外开始研究再生混凝土生命周期内的环境影响[8]，已有的研究大多采用等体积替代法来研究取代率对再生混凝土性能的影响，通过考虑再生骨料表观密度大、吸水率较大的特性，为获得与天然混凝土相同的强度等级，在配制时加入更多的水泥[9-10]。然而水泥是混凝土各组分中排放二氧化碳最多的原材料[11]，由此可能会导致再生骨料使用带来的环境效益被额外的水泥消耗所造成的环境负荷而抵消。Fathifazl等[12]将再生骨料看作是由纯骨料和附着的残余砂浆组成的两相材料，提出了等量砂浆法(Equivalent mortar volume, EMV)的再生混凝土配合比设计方法，与传统方法相比，该方法配制的再生混凝土力学性能和耐久性能均表现较好[13]。因此，笔者将对比分析采用等体积替代法和等量砂浆法进行配合比设计时的再生混凝土的环境影响差异，从而为配合比设计方法的选择提供环境方面的支撑。

1 研究方法

由于目前国内已开展了再生混凝土的配合比设计以及配制方法对再生混凝土的力学性能影响的相关研究[14-16]，本研究主要关注配制方法对再生混凝土生命周期评价结果的影响，因此，笔者仅简要介绍再生混凝土配合比设计方法，并采用已有的试验资料[13]对不同再生混凝土配合比设计方法下的再生混凝土的环境影响进行评价。

1.1 配合比设计方法

1.1.1 等体积替代法(Direct volume replacement, DVR)

制备混凝土时用一定体积的再生粗骨料来替代相同体积的天然骨料，其余的设计步骤与普通混凝土配合比设计相同。由于与天然骨料相比，再生骨料的表观密度小，会造成再生混凝土中粗骨料的总质量减小；再生骨料的吸水率大，会导致混凝土的有效水胶比降低。

1.1.2 等量砂浆法(EMV)

等量砂浆法的基本思路为再生混凝土中粗骨料总量和浆体总量与相应的普通混凝土的粗骨料总量和浆体总量相同，如图1所示[13]。

图1 等量砂浆法配制再生混凝土的基本原理示意图Fig.1 Schematic diagram of the basic principle of preparing recycled aggregate concrete by EMV

1.2 混凝土配合比

文献[13]以再生骨料取代率为变量开展试验，对比研究了等量砂浆法和等体积替代法配制的再生混凝土的力学性能，混凝土设计强度等级为C30，其试验配合比及强度分别如表1，2所示。其中EMV方法的用水量包含两部分，分别为不考虑再生骨料吸水率的单位用水量和考虑再生骨料吸水率而加入的附加水(为表格中括号内数字)。两种配合比设计方法下，不同再生骨料取代率的混凝土具有相近的坍落度。表中NAC为天然混凝土，DVR-30为等体积替代法配制的再生混凝土，再生骨料替代率为30%，EMV-30为等量砂浆法配制的再生混凝土，再生骨料替代率为30%，其他编号含义如上。

表1 再生混凝土试验配合比数据

表2 不同龄期再生混凝土抗压强度Table 2 Compressive strength of recycled aggregate concrete at different ages 单位：MPa

1.3 生命周期评价

生命周期评价(Life cycle assessment, LCA)是一种系统量化产品生命周期内，即从原材料获取，产品的生产加工、使用直至最后的处置过程，各种资源能源消耗和环境排放的方法[17]。LCA分为4个组成部分：目标与范围的确定、清单分析、影响评价和结果解释，其技术框架如图2所示。

图2 生命周期评价技术框架清单Fig.2 Life cycle assessment framework

1.3.1 目标与范围的确定

本研究目标在于评价采用不同配合比设计方法配制再生混凝土时的环境影响差异，考虑到混凝土使用及废弃阶段的影响因素众多，故采用“从摇篮到大门”的系统边界，如图3所示。功能单位是生命周期评价系统输入输出功能的量度指标[17]。功能单位的确定，有助于在清单分析时将收集的数据进行换算，并将系统内的输入和输出进行标准化，从而保证生命周期评价结果的可比性。首先，选择1 m3混凝土作为功能单位来分析不同配合比设计方法下再生混凝土的环境影响;其次，由于再生骨料替代率会影响混凝土强度，综合考虑体积和强度来分析再生混凝土的环境影响。

图3 再生混凝土生产的系统边界Fig.3 System boundary of the recycled aggregate concrete production

1.3.2 清单分析

再生混凝土生产过程中产生环境影响所涉及的阶段主要包括：1) 各类原材料和水资源的生产；2)原材料运输；3) 混凝土的制备。由于环境影响类别繁多，如全球变暖、臭氧层破坏、富营养化和固体废弃物污染等，考虑到应对气候变化的迫切性，本研究着重分析混凝土的碳排放。

文献[11]给出了再生混凝土生命周期评价所需的清单数据，如表3所示。原材料的运输距离会对混凝土碳排放计算产生影响，运输距离与实际情况紧密相关，需要调研后才能确定，并且每个案例的运输距离都不一样，对分析结果并不具有普适性，故应根据调研的基准运距来确定运输阶段的碳排放。水泥为同城购买，平均运距为20 km，龚志起等[18]调研确定了天然骨料和再生骨料的平均运距，分别为100，50 km。一般对某个特定城市而言，天然骨料的运距是确定的，而再生骨料的运输距离可变，本研究选取再生粗骨料基准运距的一半和天然细骨料运距的两倍来对其进行参数分析，确定再生骨料运输距离缩短或增加对碳排放计算结果的影响。

表3 再生混凝土生产的清单数据Table 3 Inventory of recycled aggregate concrete

1.3.3 影响评价

再生混凝土的碳排放可分为原材料生产碳排放、运输碳排放和混凝土制备碳排放，计算公式为

Ce=Crm+Ct+Cp

(1)

式中：Crm，Ct，Cp分别为原材料生产、运输和混凝土制备阶段的碳排放；Ce为混凝土生产阶段的总碳排放。原材料生产阶段的碳排放Crm可根据各类混凝土的配合比和实际材料消耗数量，并乘以已确定的相应碳排放系数来确定；运输阶段的碳排放可根据各类原材料的重量，各类原材料运输到工程现场的距离，以及所使用的运输设备来确定，即

(2)

(3)

2 结果与讨论

2.1 体积相关的再生混凝土碳排放

根据配合比和相应的清单数据，得到单位体积下各混凝土生命周期碳排放计算结果(表4)。

表4 1 m3混凝土生命周期碳排放计算结果(基准运距)

由表4可知:不论采用何种配合比设计方法，原材料生产阶段碳排放占总排放的比例均为最大，运输阶段次之，混凝土制备阶段最小。

当采用DVR法来配制再生混凝土时，再生混凝土的总碳排放要低于普通混凝土的总碳排放，并随再生骨料替代率的提高而降低；由于再生粗骨料的单位碳排放要大于天然粗骨料的单位碳排放，故再生混凝土原材料生产阶段的碳排放要大于普通混凝土的碳排放，并随再生骨料替代率的提高而增加；由于再生粗骨料的运输距离远小于天然粗骨料的运输距离，故再生混凝土运输阶段的碳排放要小于普通混凝土的碳排放，并随再生骨料替代率的提高而降低。

当采用EMV法来配制再生混凝土时，由于水泥用量随着再生骨料替代率的提高而减少(造成混凝土碳排放的最主要因素[11])，原材料生产阶段碳排放随再生骨料替代率的提高而降低；此外，采用该种方法配制混凝土时，虽然再生混凝土的总粗骨料用量要大于普通混凝土，但是由于细骨料用量有相应的减少，且再生粗骨料的运输距离要远小于天然粗骨料的运输距离，故再生混凝土运输阶段的碳排放要小于普通混凝土的碳排放，并随再生骨料替代率的提高而降低。因此，再生混凝土的总碳排放总体要低于普通混凝土的总碳排放。

图4给出了当再生骨料运输距离改变时，两种配制方式下再生混凝土碳排放的差异。由图4可知：不论再生骨料的运输距离如何变化，采用EMV法配制再生混凝土时水泥用量显著降低，并且水泥用量随再生骨料替代率的增加而减少，因此对于相同的再生骨料取代率，采用EMV法配制的再生混凝土的碳排放均要低于采用DVR法配制的再生混凝土的碳排放，当再生骨料替代率由30%增加到70%时，碳排放的降低比例大约由6%变为15%。由此可见，当对比单位体积碳排放时，与传统的DVR法相比，采用EMV法配制再生混凝土更加具有环境优越性。此外，当再生骨料的运输距离增加时，采用DVR方法配制的再生混凝土碳排放将大于普通混凝土，表明再生骨料的运输距离存在临界值，即当再生混凝土的运输距离超过某一临界值时，再生混凝土将造成更多的环境影响。

图4 两种配制方式下混凝土碳排放差异Fig.4 Difference of carbon emissions of concrete by two mixture design methods

2.2 强度相关的再生混凝土碳排放

由表1，2可知：采用不同配合比设计方法配制的再生混凝土强度有一定的差异，而且与普通混凝土也不相同。因此在分析混凝土的碳排放时，不应仅考虑其配合比相关(1 m3混凝土)的碳排放，还应综合考虑其力学性能对碳排放的影响[19]。表5给出了采用基准运距时，不同龄期下混凝土的单位强度碳排放。

表5 不同龄期下混凝土的单位强度碳排放(基准运距)

由表5可知：随着龄期的增长，水化反应逐渐完全，混凝土强度随之提高，故混凝土的单位强度碳排放均随着龄期增长而降低。采用DVR法配制再生混凝土时，不同龄期下再生混凝土的单位强度碳排放与再生骨料替代率的关系并不一致。在7 d和14 d龄期时，再生混凝土的单位强度碳排放随再生骨料替代率的增加呈现先降低后增加的趋势，然而在28 d龄期时，再生混凝土的单位强度碳排放随再生骨料替代率的增加而增加，并且变化程度很小。采用EMV法配制再生混凝土时，不同龄期下再生混凝土的单位强度碳排放总体上随再生骨料替代率的增加均呈现先降低后增加的趋势，在28 d龄期下，再生骨料替代率为50%和70%的单位强度碳排放的差别很小，几乎可以忽略不计。由此可见，采用EMV法配制再生混凝土时，综合考虑强度对碳排放的影响，加大再生骨料的取代率可保证再生混凝土的环境友好性，并缓解天然骨料的需求量及减少建筑垃圾的填埋量。

对比分析DVR法和EMV法配制再生混凝土的单位强度碳排放可知：对于相同龄期和再生骨料替代率，采用EMV法的单位强度碳排放均要低于DVR法的单位强度碳排放。因此，从保护环境的角度出发，应深入研究EMV法配制再生混凝土，并推动该配合比设计方法在实际工程中的应用。

3 结 论

通过分析两种再生混凝土配合比设计方法配制的再生混凝土碳排放的差异，得出了以下结论：基于单位体积的功能单位进行混凝土生命周期评价时，不论再生骨料的运输距离如何变化，采用等量砂浆法(EMV法)配制的再生混凝土的碳排放均要低于采用等体积替代法(DVR法)配制的再生混凝土的碳排放，主要原因在于EMV法将再生骨料考虑成纯骨料和残余砂浆复合的两相材料，在进行配合比设计时可减少水泥用量。此外，两者的碳排放差异随再生骨料取代率的增加而增大，当再生骨料替代率由30%增加到70%时，碳排放的降低比例大约由6%变为15%；当再生骨料的运输距离增加时，采用DVR方法配制的再生混凝土碳排放将大于普通混凝土，表明再生骨料的运输距离存在临界值，即当再生混凝土的运输距离超过某一临界值时，再生混凝土将造成更多的环境影响。综合考虑强度对再生混凝土碳排放的影响时，对于相同龄期和再生骨料替代率，采用EMV法的单位强度碳排放均要低于DVR法的单位强度碳排放；采用EMV法配制再生混凝土时，不同龄期下再生混凝土的单位强度碳排放随再生骨料替代率的增加均呈现先降低后增加的趋势，在28 d龄期下，再生骨料替代率为50%和70%的单位强度碳排放的差别很小。因此，加大再生骨料的取代率可保证再生混凝土的环境友好性，并缓解天然骨料的需求量及减少建筑垃圾的填埋量。