填石混凝土坝与传统混凝土坝建造及使用期内对环境负面影响比较分析

王 炜

(广东城华工程咨询有限公司，广州 510630)

1 概 述

水泥是混凝土中的重要组成部分，水泥的生产是一个能源密集型的过程，在这个过程中会产生大量的二氧化碳排放[1]。因此，如何减少混凝土坝工程建设过程中的潜在排放量成为人们普遍关注的问题[2]。填石混凝土(RFC)与传统混凝土(CC)相比，RFC每单位混凝土使用的水泥要少得多，随之而来的是更少的排放和更低的成本[3]。本文首先介绍了RFC的原理和优点。在研究方法部分，本文讨论了混合模型，该模型充分利用了现场记录的现有数据，以确保比较结果的可靠性。同时对典型案例的评价结果进行了分析，阐述了RFC和CC在环境影响方面的差异。

2 研究方法

以广东省某大坝为例进行实例分析。新建混凝土坝体体积40 698 m3，碾压混凝土的块石填充率62.4%，碾压混凝土和混凝土的强度及耐久性设计满足《混凝土拱坝设计规范》(SL 282-2003)的要求。将CC和RFC分别设计为两种不同的方案，比较两种施工方法在大坝整个生命周期中对环境的影响。

在一般的施工实践中，质量、进度、成本是日常管理的重要标准。关于大坝整个生命周期中这3个标准的详细数据可以在每日报告中找到，但承包商或业主通常都不会记录环境影响数据。为了充分利用现有数据，在规划阶段不需要额外收集大量数据，选择混合生命周期评价模型，应用增广过程方法对大坝建设项目的环境影响进行了分析。

在运行管理阶段，由于诸多变量的复杂性，过程生命周期评价方法不适合在此阶段使用。EIOLCA(经济投入产出生命周期评价法)是解决这一限制的重要组成部分。考虑到成本价值，该方法将提供独立部门产生的环境影响，这是一种连接成本和环境价值的合适方法。因此，本文采用EIOLCA方法对运行管理的环境影响进行评价。

3 大坝建造环节能耗分析

3.1 材料生产

在材料生产阶段，混凝土搅拌使用的主要材料是水泥、砂和骨料。RFC的组成包括水泥、砂、骨料、粉煤灰、岩石、聚羧酸盐高效减水剂(PS)和引气剂(AA)。在化石燃料方面，柴油和汽油也被计算在内。当计算在RFC中生产两种化学添加剂(即PS和AA)所产生的排放量时，没有可供直接使用的数据。利用高效减水剂的前驱体甲醛的数据对PS进行了模拟。计算中用等量的高效减水剂取代甲醛数据。假设AA与高效减水剂具有相同的值，基于过程的生命周期评价方法适用于这些材料。表1显示了制造这两种不同施工方法的原材料所产生的排放量。单位数量代表生产1 m3混凝土所需的原材料数量。

表1 CC和RFC大坝施工方法和数据源的原材料生产清单

与CC相比，RFC减少约72%的CO2排放，这是因为RFC组成中的水泥用量显著减少。岩石占据了RFC体积的很大比例。虽然使用了大量的重型设备，但生产石块的排放系数仍然远远低于生产水泥的排放系数。在碾压混凝土中，除了石块填充率高外，大量的粉煤灰作为粉料被用来代替水泥。粉煤灰是一种排放系数非常低的副产品。就RFC中使用的两种化学添加剂(即PS和AA)而言，尽管它们的碳强度很高，但相对于其他材料，它们的含量要少得多。对于沙子和骨料，由于它们的用量减少，几乎节省了60%以上的排放量。结果表明，尽管RFC的组成比CC复杂，但RFC显著降低了所有材料的总排放量。

3.2 材料运输

在运输阶段，车辆要消耗大量的化石燃料，如柴油和汽油。车辆的工作负荷取决于运输材料的重量和制造地点与建筑工地之间的距离。在这种情况下，材料由载重为10 t的卡车运输，运行速度为每小时30 km。根据载重汽车的工作负荷，通过查找液压定额中的能耗系数，计算出载货汽车的运行时间和燃料总量，其中一辆卡车消耗的柴油约为14 kg/h。RFC和CC在运输过程中排放的对比结果见图1。

图1 材料运输产生的排放比较

图1中显示，虽然运输粉煤灰和石块的排放量很大，但由于水泥、沙子和骨料的显著减少，以及由于石块的运输距离比其他材料更近，RFC的最终总排放量仍比CC减少25%。

3.3 施 工

在施工阶段，排放主要来自现场设备运行期间消耗大量能源和电力。不同类型设备的运行时间由各自的工作负荷和生产率决定，这可在设计规范中找到。根据每种设备的运行时间，通过计算获得该阶段使用的化石燃料和电力总量。采用RFC混凝土时，现场设备产生的总排放量减少51%，因为混合混凝土的数量显著减少。由图2和图3可知，缆索起重机消耗的能量最多，并且在产生排放物方面起着重要作用。当在建筑中使用重油催化裂化时，混凝土搅拌车和挖掘机的排放分别排在第二和第三位。但是对于CC来说，混凝土搅拌车和挖掘机被自卸车和空气压缩机所取代。混凝土搅拌车和自卸汽车用于运输预拌混凝土。

图2 RFC中使用的设备的排放消耗比例

图3 CC中使用的设备的排放消耗比例

为保证SCC的流动性，RFC采用混凝土搅拌车。空气压缩机主要用于提供动力来振动倒入建筑工地的混凝土。

3.4 运行和维护

在O&M(运行和维护)阶段，当使用建筑排放总量指标对案例进行评估时，就年度O&M成本而言，对CC和RFC分别进行了研究。结果表明，RFC不仅降低了建设成本，还降低了O&M成本。当使用钢筋混凝土时，大坝出现裂缝的可能性将会降低，因为与混凝土相比，每立方混凝土中使用的水泥更少，故使用RFC降低了O&M成本。

4 结果分析

大坝整个生命周期的总环境影响是通过累积材料生产、运输、施工和O&M阶段的能耗和排放来计算的。由图4可知，与CC相比RFC降低了55%的总能耗。因此，在大坝的整个生命周期中，通过使用反应堆冷却剂系统，大约可减少64.5%的二氧化碳排放。

图4 用CC法和RFC法建造大坝的全寿命期总能耗

通过使用全球变暖潜能(GWP)值，获得了CC和RFC的生命周期GHG排放的最终结果，见图5。与其他施工阶段相比，材料生产过程的GHG排放和能耗较大，这证实了水泥的生产过程是大坝整个生命周期环境影响的主要因素。

图5 用CC法和RFC法建造大坝期间的总排放量

除了GHG排放量，氮氧化物、一氧化碳和颗粒物也在这项研究中量化。由图6可知，氮氧化物排放主要是在运输和建设阶段消耗大量柴油和汽油产生的。在材料生产阶段，因为在生产水泥时需要大量的热量来分解碳酸钙，所以燃烧大量的化石燃料来提供足够的热量，并且在燃烧过程中产生大量的一氧化碳排放。对人体健康有有害影响的颗粒物排放主要是在建筑工地产生的，因为在建筑过程中使用了大量设备，而且车辆废气中的颗粒物含量很高。

图6 在大坝建设的生命周期内，采用CC和RFC法的其他排放量

5 结 论

本研究采用混合生命周期评价模型对大坝生命周期的环境负荷进行评价，并比较了大坝生命周期内相对于循环成本的环境影响，通过一个案例研究计算了材料生产、运输、施工和O&M阶段的能耗和排放。评估结果表明，大坝在使用寿命期间会消耗大量能源，产生大量排放。与CC相比，RFC被证明在整个生命周期中对环境影响更低，降低了64%的GHG排放量和55%的能源使用。在大坝寿命的每个阶段，在材料生产阶段减少了72%的二氧化碳排放量，在运输阶段减少了25%，在建造阶段减少了51%，在O&M阶段减少了15.6%。RFC的环境效益将有助于决策者为混凝土大坝选择更环保的施工方法。